一种Gm单元及基于该Gm单元的全差分四阶Gm-C滤波器

本发明属于模拟前端集成电路，具体涉及一种gm单元及基于该gm单元的全差分四阶gm-c滤波器。

背景技术：

1、目前，集成电路技术正在不断发展，这为可穿戴健康监护系统的进一步改革提供了可能性。基于集成电路技术的微型人体信号监测设备的研发正如火如荼地进行着。相比传统的医疗设备，新型可穿戴医疗设备具有低功耗、集成的电路模块多、处理生理信号性能好等特点，除此之外，它还可以在实时生成生理信号的波形后提取信号的特征，由此实现对病患的实时诊断和预警等。

2、新型可穿戴医疗设备的核心是生物医学芯片，并且生物医学芯片中核心的模块是模拟前端信号采集处理电路，它是连接人体、传感器、电路系统的关键，也是生理信息到电路信号转化的桥梁。所获取信号的完整性、信噪比、失真、精确度等重要性能都由模拟前端电路决定。考虑到人体生物信号具有幅度小、频率极低、带宽窄等特点，模拟前端电路必须满足低噪声、滤波常数大等要求。

3、由于生物电信号尤其是心电信号、脑电信号频率较低，十分容易受到环境和电路噪声等干扰项的影响，因此在模拟前端信号采集处理电路中需要低通滤波器对放大后的生物电信号进行滤波处理，并且需要滤波器有较低的通频带，以便将高频处的噪声以及失调等干扰因素滤除。因此，低通滤波器是模拟前端电路中非常重要的一个模块。

4、在模拟集成电路中，有四种架构的滤波器电路较为常见，分别是无源rc滤波器、有源rc滤波器、开关电容滤波器和gm-c滤波器。又由于模拟前端电路对面积、功耗以及性能的综合考虑，其中后三种滤波器电路在模拟前端芯片中较为常用，有源rc滤波器由于运算放大器提供的虚拟接地而显示出良好的线性性能，但它们通常不具有连续调谐能力，并且依赖于过程中高质量电阻器的可用性。开关电容滤波器利用时钟控制电容通路成功取代了电阻，降低了电路的功耗和面积，然而，这种采样数据系统存在带外干扰和噪声通过混叠被折叠回基带的潜在问题，并且开关电容的结构本质上不是连续时间的，动态范围有限，并且仅限于合理的低频应用。另一种是gm-c滤波器，其由跨导体和电容器构成，通过改变跨导的gm，可以很容易地实现频率调谐，并且没有反馈，使得它们比有源rc滤波器具有更好的频率响应。gm-c滤波器的性能在很大程度上取决于跨导放大器，因为它是唯一的有源元件，并且在开环配置下工作。并且目前关于运算跨导放大器的研究也在不断进步，基于运算跨导放大器的滤波器逐渐占据了更大的市场。

5、在实际的芯片制造中，晶圆上刻蚀出的晶体管尺寸会受到光刻工艺等因素的影响，晶体管的实际尺寸不可能做到与设计时完全一致，晶体管的尺寸失配可能给电路带来的问题要在设计中进行充分考虑。

技术实现思路

1、为了解决由于器件尺寸失配导致gm单元共模反馈可能的失效问题本发明提供了一种gm单元及基于该gm单元的全差分四阶gm-c滤波器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明的一个方面提供了一种适用于全差分四阶gm-c滤波器的gm单元，包括互补输入级电路、第一pmos并联电流分配电路、第二pmos并联电流分配电路、第一pmos串联电流分配电路、第二pmos串联电流分配电路、第一nmos并联电流分配电路、第二nmos并联电流分配电路、第一nmos串联电流分配电路、第二nmos串联电流分配电路和对称型电流检测共模反馈电路，其中，

3、所述第一pmos并联电流分配电路和所述第一pmos串联电流分配电路串联在所述互补输入级电路的第一输入端与所述gm单元的正输出端之间；

4、所述第二pmos并联电流分配电路和所述第二pmos串联电流分配电路串联在所述互补输入级电路的第二输入端与所述gm单元的负输出端之间；

5、所述第一nmos并联电流分配电路和所述第一nmos串联电流分配电路串联在所述互补输入级电路的第一输出端与所述gm单元的正输出端之间；

6、所述第二nmos并联电流分配电路和所述第二nmos串联电流分配电路串联在所述互补输入级电路的第二输出端与所述gm单元的负输出端之间；

7、所述互补输入级电路还用于输入第一差分信号和第二差分信号；

8、所述对称型电流检测共模反馈电路包括两个输入端和两个输出端，两个输入端分别输入第一偏置电压vbcmp和第二偏置电压vbcmn，两个输出端分别连接至所述gm单元的正输出端和负输出端。

9、在本发明的一个实施例中，所述互补输入级电路包括nmos管mn1、nmos管mn2、nmos管mn3、pmos管mp1、pmos管mp2、pmos管mp3、pmos管mp4、pmos管mp5和pmos管mp6，其中，

10、所述nmos管mn1的漏极连接所述第一pmos并联电流分配电路，所述nmos管mn2的漏极连接所述第二pmos并联电流分配电路，所述nmos管mn1的源极和所述nmos管mn2的源极均连接所述nmos管mn3的漏极；所述nmos管mn1的栅极、所述pmos管mp3的栅极和所述pmos管mp6的栅极相互连接并作为所述gm单元的负输入端；所述nmos管mn2的栅极、所述pmos管mp4的栅极和所述pmos管mp5的栅极相互连接并作为所述gm单元的正输入端；

11、所述nmos管mn3的栅极输入第三偏置电压vb1，所述nmos管mn3的源极连接接地端，所述pmos管mp1的源极和所述pmos管mp2的源极均连接电源端，所述pmos管mp1的栅极连接所述pmos管mp2的栅极并输入第四偏置电压vb2；

12、所述pmos管mp1的漏极同时连接所述pmos管mp3的源极、所述pmos管mp5的漏极和所述pmos管mp6的源极；所述pmos管mp2的漏极同时连接所述pmos管mp4的源极、所述pmos管mp6的漏极和所述pmos管mp5的源极；

13、所述pmos管mp3的漏极连接所述第一nmos并联电流分配电路，所述pmos管mp4的漏极连接所述第二nmos并联电流分配电路。

14、在本发明的一个实施例中，所述第一pmos并联电流分配电路和所述第二pmos并联电流分配电路具有相同的电路结构，所述第一pmos串联电流分配电路和所述第二pmos串联电流分配电路具有相同的电路结构，所述第一nmos并联电流分配电路和所述第二nmos并联电流分配电路具有相同的电路结构，所述第一nmos串联电流分配电路和所述第二nmos串联电流分配电路具有相同的电路结构。

15、在本发明的一个实施例中，所述第一pmos并联电流分配电路包括并联的多个pmos管mppx，其中，

16、所述多个pmos管mppx的源极均连接电源端，所述多个pmos管mppx的栅极相互连接并连接至所述第一pmos串联电流分配电路，所述多个pmos管mppx的漏极相互连接并连接至所述互补输入级电路的第一输入端，并且所述多个pmos管mppx的栅极连接所述多个pmos管mppx的漏极。

17、在本发明的一个实施例中，所述第一pmos串联电流分配电路包括串联的多个pmos管mpsx，其中，

18、所述多个pmos管mpsx的栅极相互连接并连接至所述第一pmos并联电流分配电路，第一个pmos管mpsx的源极连接电源端，前一个pmos管mpsx的漏极连接后一个pmos管mpsx的源极，并且最后一个pmos管mpsx的漏极连接所述gm单元的正输出端。

19、在本发明的一个实施例中，所述第一nmos串联电流分配电路包括串联的多个nmos管mnsx，其中，

20、所述多个nmos管mnsx的栅极相互连接并连接至所述第一nmos并联电流分配电路；

21、第一个nmos管mnsx的漏极连接所述互补输入级电路的第一输出端，前一个nmos管mnsx的源极连接后一个nmos管mnsx的漏极，最后一个nmos管mnsx的源极连接接地端。

22、在本发明的一个实施例中，所述第一nmos并联电流分配电路包括并联的多个nmos管mnpx，其中，

23、所述多个nmos管mnpx的源极均连接接地端，所述多个nmos管mnpx的栅极相互连接并连接至所述第一nmos串联电流分配电路，所述多个nmos管mnpx的漏极相互连接并连接至所述互补输入级电路的第一输出端，并且所述多个nmos管mnpx的栅极连接所述多个nmos管mnpx的漏极。

24、在本发明的一个实施例中，所述对称型电流检测共模反馈电路包括nmos管mn4、nmos管mn5、nmos管mn6、nmos管mn7、pmos管mp7、pmos管mp8、pmos管mp9和pmos管mp10，其中，

25、所述nmos管mn4的源极和所述nmos管mn5的源极连接接地端，所述nmos管mn4的漏极同时连接所述nmos管mn5的漏极、所述nmos管mn6的源极和所述nmos管mn7的源极；

26、所述nmos管mn6的栅极和所述nmos管mn7的栅极相互连接并输入第二偏置电压vbcmn；

27、所述nmos管mn4的栅极同时连接所述nmos管mn6的漏极、所述pmos管mp9的漏极、所述pmos管mp7的栅极并连接所述gm单元的正输出端；

28、所述nmos管mn5的栅极同时连接所述nmos管mn7的漏极、所述pmos管mp10的漏极、所述pmos管mp8的栅极并连接所述gm单元的负输出端；

29、所述nmos管mn9的栅极和所述nmos管mn10的栅极相互连接并输出第一偏置电压vbcmp；、

30、所述pmos管mp9的源极同时连接所述pmos管mp10的源极、所述pmos管mp7的漏极和所述pmos管mp8的源极；

31、所述pmos管mp7的源极和所述pmos管mp8的源极均连接电源端。

32、本发明的另一方面提供了一种全差分四阶gm-c滤波器，包括第一gm单元gm1、第二gm单元gm2、第三gm单元gm3、第四gm单元gm4、第一电容ca和第二电容cb，其中，

33、所述第一gm单元gm1、所述第二gm单元gm2、所述第三gm单元gm3、和第四gm单元gm4的结构均与上述实施例中任一项所述的gm单元相同；

34、所述第一gm单元gm1的正输出端连接所述第二gm单元gm2的正输入端，所述第一gm单元gm1的负输出端连接所述第二gm单元gm2的负输入端；

35、所述第二gm单元gm2的负输出端连接所述第三gm单元gm3的正输入端，所述第二gm单元gm2的正输出端连接所述第三gm单元gm3的负输入端；

36、所述第三gm单元gm3的正输出端连接所述第三gm单元gm3的负输入端、所述第一gm单元gm1的负输入端并作为所述全差分四阶gm-c滤波器的负输出端voutp，所述第三gm单元gm3的负输出端连接所述第三gm单元gm3的正输入端、所述第一gm单元gm1的正输入端并作为所述全差分四阶gm-c滤波器的正输出端voutn；

37、所述第四gm单元gm4的正输入端作为所述全差分四阶gm-c滤波器的正输入端vinp，所述第四gm单元gm4的负输入端作为所述全差分四阶gm-c滤波器的负输入端vinn，所述第四gm单元gm4的正输出端连接所述第一gm单元gm1的正输出端，所述第四gm单元gm4的负输出端连接所述第一gm单元gm1的负输出端；

38、所述第一电容ca连接在所述第二gm单元gm2的正输入端与负输入端之间，所述第二电容cb连接在所述第三gm单元gm3的正输出端与负输出端之间。

39、与现有技术相比，本发明的有益效果有：

40、1、本发明的全差分四阶gm-c滤波器电路结构相较于一般的模拟滤波器，能够以较小的面积实现1khz以下的截止频率。该电路采用全差分两阶gm-c结构，采用一种基于对称性互补输入的设计技术来实现gm单元的极低跨导。该电路将成熟的gm单元设计进行推广，避免在实际生产中由于器件尺寸失配导致gm单元共模反馈可能的失效问题，极大提高了滤波器电路在工作中的稳定性与线性度。

41、2、本发明的gm单元采用串并联电流分配结构，电流支路少，功耗非常低，能够满足可穿戴系统对于电流功耗性能的严苛要求。

42、3、本发明的全差分四阶gm-c滤波器电路结构利用具有极低跨导的gm单元实现低通功能，避免了大面积电容电阻的使用，节省了芯片面积。并且本滤波器电路的gm单元采用晶体管复用技术的多阶结构，有效地减少了晶体管的个数，显著减少滤波器的面积和功耗。

43、4、本发明采用的对称型电流检测共模反馈电路的结构搭配gm单元晶体管复用技术的多阶结构，可以有效提高芯片良率。

44、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。