一种基于对数域非线性传输函数的低电压低功耗放大器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生物信号处理领域，尤其涉及一种基于对数域非线性传输函数的低电 压低功耗放大器。
【背景技术】
[0002] 在日常穿戴式便携式医疗器件当中，为了满足便携性供电需求，便携性电源如纽 扣电池是主要的供电电源，但是其供电能力有限，难以长时间维持器件运转以成为日益严 峻的问题，于是加剧了对日常穿戴式医疗检测器件低功耗要求。由于放大器是生物信号前 端采集处理系统中最为基本的模块，因此这种约束加大了放大器低功耗迫切性和必要性， 然而降低功耗的一个最主要的方法就是低电压，于是低电压、低功耗以及生物医学信号本 身特性所要求的低频率成为了一个关键的亟待解决的问题。
[0003] 便携式和最小化片上系统的应用已经增加对微电子市场要求，尤其是生物医学领 域产品的要求例如助听器，心脏起搏器，植入式传感器等。系统的便携性要求电池供电，不 幸的是，电池技术的发展并没有对器件要求的速度快，所以低电压、低功耗电路设计的问题 出现，并且日益严峻。对数域放大器是把工作的场效应晶体管（MOS)偏置在弱反型区，利用 其对数函数来完成放大的放大电路。由于MOS管偏置在弱反型区，其工作电压非常低，在IV 以下；其工作电流也非常小在l〇〇nA级。这样就大大的减少了功耗。
[0004] 对数放大器，首先把输入信号以指数函数的形式转换到指数域，而通常情况下， 放大信号只要乘以一个常因子，而在指数域对应于加个一个常因子。然后对反指数函数 把指数域中放大的信号再次转化为普通域中，在保持放大线性的同时实现了放大信号。 如图1所示，对数域放大器分为三个部分：压缩（Compressor)、非线性操作（Non-linear Function)、扩展（Expander) 〇
[0005] 传统的对数域放大器实现方案，压缩分部如图2所示。输入电流信号经过偏置在 弱反型区M0S管指数地转化为电压信号，然后叠加一个常量电压，再经过一个偏置在弱反 型区M0S管把电压信号转化为电流信号，就实现了放大。目前对数域放大器，压缩管和扩展 管所实现的函数是一个互逆的函数。
[0006] 在传统的对数域放大器中，对数放大还没有实际可以应用的差分输入。这大大提 高了噪声，降低了电路的性能。此外，由于对数放大器工作电流非常低，降低电路噪声的容 纳能力，又由于没有差分输入抑制噪声，使电路噪声性能进一步恶化，使共模抑制比比较 低。对数放大器输出晶体管被偏置在弱反型区，其电流非常低，这限制输出电流的摆幅。而 且由于对数放大器需要转换到对数域进行非线性操作，这使整个放大器的线性不高。
【发明内容】
[0007] 本发明提供了一种基于对数域非线性传输函数的低电压低功耗放大器，其通过采 用对称的差分输入端口，输入的差分信号分别经过PM0S对和NM0S对，以指数的形式转换为 电压信号，完成输入压缩转换，进行独特的非线性函数，使输出扩展晶体管工作在饱合区， 增加输出摆幅的同时，提高线性度和共模抑制比。
[0008] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：
[0009] -种基于对数域非线性传输函数的低电压低功耗放大器，包括：压缩模块和非线 性转换模块，所述压缩模块的两个输出端分别与所述非线性转换模块的两个输入端相连； 所述压缩模块包括用于将第一差分输入信号以指数形式转换为第一电压信号的PMOS对和 用于将第二差分输入信号以指数形式转换为第二电压信号的NMOS对；所述第一电压信号 和第二电压信号分别通过两个输出端输出；所述PMOS对由两个互补的PMOS管组成；所述 NMOS对由两个互补的NMOS管组成；
[0010] 所述非线性转换模块包括用于根据输入的第一电压信号和第二电压信号生成电 流信号的镜像电流源和用于根据将所述电流信号通过非线性转换函数转换为电压信号的 转换子模块。
[0011] 其中，所述压缩模块还包括用于将尾流源偏置的MOS管。
[0012] 其中，所述镜像电流源前端还连接有用于将所述第二电压信号转化成电流信号的 MOS管；所述镜像电流源前端还连接有用于对所述电流信号进行调整的MOS管。
[0013] 其中，所述压缩模块包括：PMOS管PMOSO、PMOS管PMOS1、PMOS管PMOS2、NMOS管 NM0S0、NMOS管NM0S1和NMOS管NM0S2 ;所述PMOS管PM0S0的源极接入电源电压，PMOS管 PM0S0的漏极和PMOS管PM0S1的源极、PMOS管PM0S2的源极相连，PMOS管PM0S0的栅极 和PMOS管PM0S2的漏极相连并接入参考电流；所述PMOS管PM0S1的栅极接入第一差分输 入信号，所述PMOS管PM0S1的栅极还与PMOS管PM0S1的漏极、NMOS管NM0S2的栅极相连； 所述PMOS管PM0S2的栅极接入参考电压；所述NMOS管NM0S1的栅极接入第二差分输入信 号、NMOS管NMOS1的源极和NMOS管NM0S2的源极、NMOS管NM0S0的漏极相连；所述NMOS 管NM0S1的漏极和NMOS管NM0S1的栅极相连；所述NMOS管NM0S2的漏极接入参考电流并 和NMOS管NM0S0的栅极相连；所述NMOS管NM0S0的源极接地。
[0014] 其中，所述非线性转换模块包括：PM0S管PM0S3、PMOS管PM0S4、PMOS管PM0S5、 PMOS管PM0S6、NM0S管NM0S3、NM0S管NM0S4、NM0S管NM0S5、NM0S管NM0S6、NM0S管NM0S7 和NMOS管NM0S8 ;所述PMOS管PM0S3的栅极和NMOS管NM0S1的漏极、NMOS管NM0S3的栅极 相连，所述PMOS管PM0S3的源极接入电源电压，所述PMOS管PM0S3的漏极和NMOS管NM0S4 的漏极、NMOS管NM0S4的栅极、NMOS管NM0S6的栅极相连；所述NMOS管NM0S4的源极和 NMOS管NM0S5的漏极、NMOS管NM0S5的栅极、NMOS管NM0S7的栅极相连；NMOS管NM0S5的 源极和NMOS管NM0S3的漏极相连；NMOS管NM0S6的源极和NMOS管NM0S7的漏极相连；PMOS 管PM0S4的栅极和NMOS管NM0S2的栅极相连，PMOS管PM0S4的漏极和NMOS管NM0S6的漏 极相连，PMOS管PM0S4的源极和PMOS管PM0S5的漏极、PMOS管PM0S6的源极相连；PMOS管 PM0S5的源极接入电源电压；PMOS管PM0S6的栅极和PMOS管PM0S6的漏极、NMOS管NM0S8 的栅极相连；所述NMOS管NM0S8的漏极输出最后得到的电流信号；所述NMOS管NM0S3的源 极、NMOS管NM0S7的源极、PMOS管PM0S5的栅极、PMOS管PM0S6的漏极、NMOS管NM0S8的 源极均接地。
[0015] 其中，所述非线性转换模块还包括PMOS管PM0S7,所述PMOS管PM0S7的漏极和栅 极与NMOS管NM0S8的漏极相连；所述PMOS管PM0S7的源极接入电源电压。
[0016] 本发明的有益效果为：通过采用对称的差分输入端口，输入的差分信号分别经过 PMOS对和NMOS对，以指数的形式转换为电压信号，完成输入压缩转换，进行独特的非线性 函数，使输出扩展晶体管工作在饱合区，增加输出摆幅的同时，提高线性度和共模抑制比。
【附图说明】
[0017]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所 需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施 例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施 例的内容和这些附图获得其他的附图。
[0018] 图1是对数域放大器的原理图。
[0019] 图2是现有的对数域放大器的电路原理图。
[0020]图3是本发明【具体实施方式】中提供的一种基于对数域非线性传输函数的低电压 低功耗放大器的压缩模块的电路原理图。
[0021] 图4是本发明【具体实施方式】中提供的一种基于对数域非线性传输函数的低电压 低功耗放大器的镜像电流源和转换子电路的电路原理图。
[0022] 图5是本发明【具体实施方式】中提供的一种基于对数域非线性传输函数的低电压 低功耗放大器整体的电路原理图。
[0023] 图6是本发明【具体实施方式】中提供的一种基于对数域非线性传输函数的低电压 低功耗放大器的瞬态响应的仿真结果示意图。
[0024] 图7是本发明【具体实施方式】中提供的一种基于对数域非线性传输函数的低电压 低功耗放大器的频率响应的仿真结果示意图。
[0025] 图8是本发明【具体实施方式】中提供的一种基于对数域非线性传输函数的低电压 低功耗放大器的线性度的仿真结果示意图。
[0026] 图9是本发明【具体实施方式】中提供的一种基于对数域非线性传输函数的低电压 低功耗放大器的直流响应的仿真结果示意图。
【具体实施方式】
[0027]为使本发明解决的技术问题、采