[发明专利]一种Gm单元及基于该Gm单元的全差分四阶Gm-C滤波器

说明书

本发明公开了一种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，第一PMOS并联电流分配电路和第一PMOS串联电流分配电路，第二PMOS并联电流分配电路和第二PMOS串联电流分配电路，第一NMOS并联电流分配电路和第一NMOS串联电流分配电路，第二NMOS并联电流分配电路和第二NMOS串联电流分配电路分别串联在互补输入级电路与Gm单元之间，反馈电路连接在该Gm单元的两个差分输出端之间。本发明采用对称性互补输入的设计能够实现Gm单元的极低跨导。

技术领域

本发明属于模拟前端集成电路技术领域，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

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容

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：

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，