一種基于對數(shù)域非線性傳輸函數(shù)的低電壓低功耗放大器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型設及生物信號處理領域，尤其設及一種基于對數(shù)域非線性傳輸函數(shù)的 低電壓低功耗放大器。
【背景技術】
[0002] 在日常穿戴式便攜式醫(yī)療器件當中，為了滿足便攜性供電需求，便攜性電源如紐 扣電池是主要的供電電源，但是其供電能力有限，難W長時間維持器件運轉(zhuǎn)W成為日益嚴 峻的問題，于是加劇了對日常穿戴式醫(yī)療檢測器件低功耗要求。由于放大器是生物信號前 端采集處理系統(tǒng)中最為基本的模塊，因此該種約束加大了放大器低功耗迫切性和必要性， 然而降低功耗的一個最主要的方法就是低電壓，于是低電壓、低功耗W及生物醫(yī)學信號本 身特性所要求的低頻率成為了一個關鍵的亟待解決的問題。
[0003] 便攜式和最小化片上系統(tǒng)的應用已經(jīng)增加對微電子市場要求，尤其是生物醫(yī)學領 域產(chǎn)品的要求例如助聽器，屯、臟起搏器，植入式傳感器等。系統(tǒng)的便攜性要求電池供電，不 幸的是，電池技術的發(fā)展并沒有對器件要求的速度快，所W低電壓、低功耗電路設計的問題 出現(xiàn)，并且日益嚴峻。對數(shù)域放大器是把工作的場效應晶體管（MO巧偏置在弱反型區(qū)，利用 其對數(shù)函數(shù)來完成放大的放大電路。由于MOS管偏置在弱反型區(qū)，其工作電壓非常低，在IV W下；其工作電流也非常小在lOOnA級。該樣就大大的減少了功耗。
[0004] 對數(shù)放大器，首先把輸入信號W指數(shù)函數(shù)的形式轉(zhuǎn)換到指數(shù)域，而通常情況下， 放大信號只要乘W-個常因子，而在指數(shù)域?qū)诩觽€一個常因子。然后對反指數(shù)函數(shù) 把指數(shù)域中放大的信號再次轉(zhuǎn)化為普通域中，在保持放大線性的同時實現(xiàn)了放大信號。 如圖1所示，對數(shù)域放大器分為S個部分；壓縮（Compressor)、非線性操作（Non-linear Function)、擴展巧xpander)。
[0005] 傳統(tǒng)的對數(shù)域放大器實現(xiàn)方案，壓縮分部如圖2所示。輸入電流信號經(jīng)過偏置在 弱反型區(qū)M0S管指數(shù)地轉(zhuǎn)化為電壓信號，然后疊加一個常量電壓，再經(jīng)過一個偏置在弱反 型區(qū)M0S管把電壓信號轉(zhuǎn)化為電流信號，就實現(xiàn)了放大。目前對數(shù)域放大器，壓縮管和擴展 管所實現(xiàn)的函數(shù)是一個互逆的函數(shù)。
[0006] 在傳統(tǒng)的對數(shù)域放大器中，對數(shù)放大還沒有實際可W應用的差分輸入。該大大提 高了噪聲，降低了電路的性能。此外，由于對數(shù)放大器工作電流非常低，降低電路噪聲的容 納能力，又由于沒有差分輸入抑制噪聲，使電路噪聲性能進一步惡化，使共模抑制比比較 低。對數(shù)放大器輸出晶體管被偏置在弱反型區(qū)，其電流非常低，該限制輸出電流的擺幅。而 且由于對數(shù)放大器需要轉(zhuǎn)換到對數(shù)域進行非線性操作，該使整個放大器的線性不高。 【實用新型內(nèi)容】
[0007] 本實用新型提供了一種基于對數(shù)域非線性傳輸函數(shù)的低電壓低功耗放大器，其通 過采用對稱的差分輸入端口，輸入的差分信號分別經(jīng)過PM0S對和NM0S對，W指數(shù)的形式轉(zhuǎn) 換為電壓信號，完成輸入壓縮轉(zhuǎn)換，進行獨特的非線性函數(shù)，使輸出擴展晶體管工作在飽合 區(qū)，增加輸出擺幅的同時，提高線性度和共模抑制比。
[000引為達此目的，本實用新型采用W下技術方案：
[0009] 一種基于對數(shù)域非線性傳輸函數(shù)的低電壓低功耗放大器，包括：壓縮模塊和非線 性轉(zhuǎn)換模塊，所述壓縮模塊的兩個輸出端分別與所述非線性轉(zhuǎn)換模塊的兩個輸入端相連； 所述壓縮模塊包括用于將第一差分輸入信號W指數(shù)形式轉(zhuǎn)換為第一電壓信號的PMOS對和 用于將第二差分輸入信號W指數(shù)形式轉(zhuǎn)換為第二電壓信號的NMOS對；所述第一電壓信號 和第二電壓信號分別通過兩個輸出端輸出；所述PMOS對由兩個互補的PMOS管組成；所述 NMOS對由兩個互補的NMOS管組成；
[0010] 所述非線性轉(zhuǎn)換模塊包括用于根據(jù)輸入的第一電壓信號和第二電壓信號生成電 流信號的鏡像電流源和用于根據(jù)將所述電流信號通過非線性轉(zhuǎn)換函數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓信號的 轉(zhuǎn)換子模塊。
[0011] 其中，所述壓縮模塊還包括用于將尾流源偏置的MOS管。
[0012] 其中，所述鏡像電流源前端還連接有用于將所述第二電壓信號轉(zhuǎn)化成電流信號的 MOS管；所述鏡像電流源前端還連接有用于對所述電流信號進行調(diào)整的MOS管。
[0013] 其中，所述壓縮模塊包括；PMOS管PM0S0、PMOS管PMOS1、PMOS管PMOS2、NMOS管 NM0S0、NMOS管NM0S1和NMOS管NM0S2 ;所述PMOS管PM0S0的源極接入電源電壓，PMOS管 PM0S0的漏極和PMOS管PM0S1的源極、PMOS管PM0S2的源極相連，PMOS管PM0S0的柵極 和PMOS管PM0S2的漏極相連并接入?yún)⒖茧娏?；所述PMOS管PM0S1的柵極接入第一差分輸 入信號，所述PMOS管PM0S1的柵極還與PMOS管PM0S1的漏極、NMOS管NM0S2的柵極相連； 所述PMOS管PM0S2的柵極接入?yún)⒖茧妷海凰鯪MOS管NM0S1的柵極接入第二差分輸入信 號、NMOS管NMOS1的源極和NMOS管NM0S2的源極、NMOS管NM0S0的漏極相連；所述NMOS 管NM0S1的漏極和NMOS管NM0S1的柵極相連；所述NMOS管NM0S2的漏極接入?yún)⒖茧娏鞑?和NMOS管NM0S0的柵極相連；所述NMOS管NM0S0的源極接地。
[0014] 其中，所述非線性轉(zhuǎn)換模塊包括；PMOS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的柵極和NMOS管NM0S1的漏極、NMOS管NM0S3的柵極 相連，所述PMOS管PM0S3的源極接入電源電壓，所述PMOS管PM0S3的漏極和NMOS管NM0S4 的漏極、NMOS管NM0S4的柵極、NMOS管NM0S6的柵極相連；所述NMOS管NM0S4的源極和 NMOS管NM0S5的漏極、NMOS管NM0S5的柵極、NMOS管NM0S7的柵極相連；NMOS管NM0S5的 源極和NMOS管NM0S3的漏極相連；NMOS管NM0S6的源極和NMOS管NM0S7的漏極相連；PMOS 管PM0S4的柵極和NMOS管NM0S2的柵極相連，PMOS管PM0S4的漏極和NMOS管NM0S6的漏 極相連，PMOS管PM0S4的源極和PMOS管PM0S5的漏極、PMOS管PM0S6的源極相連；PMOS管 PM0S5的源極接入電源電壓；PMOS管PM0S6的柵極和PMOS管PM0S6的漏極、NMOS管NM0S8 的柵極相連；所述NMOS管NM0S8的漏極輸出最后得到的電流信號；所述NMOS管NM0S3的源 極、NMOS管NM0S7的源極、PMOS管PM0S5的柵極、PMOS管PM0S6的漏極、NMOS管NM0S8的 源極均接地。
[00巧]其中，所述非線性轉(zhuǎn)換模塊還包括PMOS管PM0S7,所述PMOS管PM0S7的漏極和柵 極與NMOS管NM0S8的漏極相連；所述PMOS管PM0S7的源極接入電源電壓。
[0016] 本實用新型的有益效果為；通過采用對稱的差分輸入端口，輸入的差分信號分別 經(jīng)過PMOS對和NMOS化W指數(shù)的形式轉(zhuǎn)換為電壓信號，完成輸入壓縮轉(zhuǎn)換，進行獨特的非 線性函數(shù)，使輸出擴展晶體管工作在飽合區(qū)，增加輸出擺幅的同時，提高線性度和共模抑制 比。
【附圖說明】
[0017] 為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術方案，下面將對本實用新型實施例 描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新 型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可W根 據(jù)本實用新型實施例的內(nèi)容和該些附圖獲得其他的附圖。
[0018] 圖1是對數(shù)域放大器的原理圖。
[0019] 圖2是現(xiàn)有的對數(shù)域放大器的電路原理圖。
[0020] 圖3是本實用新型【具體實施方式】中提供的一種基于對數(shù)域非線性傳輸函數(shù)的低 電壓低功耗放大器的壓縮模塊的電路原理圖。
[0021] 圖4是本實用新型【具體實施方式】中提供的一種基于對數(shù)域非線性傳輸函數(shù)的低 電壓低功耗放大器的鏡像電流源和轉(zhuǎn)換子電路的電路原理圖。
[0022] 圖5是本實用新型【具體實施方式】中提供的一種基于對數(shù)域非線性傳輸函數(shù)的低 電壓低功耗放大器整體的電路原理圖。
[0023] 圖6是本實用新型【具體實施方式】中提供的一種基于對數(shù)域非線性傳輸函數(shù)的低 電壓低功耗放大器的瞬態(tài)響應的仿真結(jié)果示意圖。
[0024] 圖7是本實用新型【具體實施方式】中提供的一種基于對數(shù)域非線性傳輸函數(shù)的低 電壓低功耗放大器的頻率響應的仿真結(jié)果示意圖。
[0025] 圖8是本實用新型【具體實施方式】中提供的一種基于對數(shù)域非線性傳輸函數(shù)的低 電壓低功耗放大器的線性度的仿真結(jié)果示意圖。
[0026] 圖9是本實用新型【具體實施方式】中提供的一種基于對數(shù)域非線性傳輸函數(shù)的低 電壓低功耗放大器的直流響應的仿真結(jié)果示意圖。
【具體實施方式】
[0027] 為使本實用新型解決的