一种适用于医学领域的频率可调滤波器
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具有 极低 的截 止 频 率 。
ＲＣ 有 源 滤 波 器 由于 具 有 高线 性 度 的 特 点 已被 广 泛 的应 用 。但 是 ， 对 于 医 学 领 域 的应 用 ，基 于 这 种 结 构 实现 低 截 止频 率 需 要 大 数 值 的 电阻 和 电容 ， 意 味 着 需要 很 大 的芯 片 面 积 。 以 ＵＭＣ ０ ． １ ３ ｕ ｍＣ ＭＯＳ 工 艺 为例 ， ｌ ｐ Ｆ电容 和 １ ｋ Ｑ 电 阻分 别 占用 约 ｌ ０ － ３ ｍｍ 和 １ ０ ｍｍ 的 面 积 ， 设截 止 频 率表 示 为 １ ／ ２ ｎ Ｒ Ｃ， 则要 得 到 １ Ｈｚ的截 止 频 率 ， 电阻 、电容 分 别 为 ０ ． ４ ＧＱ、４ ０ ０ ｐ Ｆ时 面 积 最 小 ，为 ０ ． ８ ｍｍ２ ，此 面 积 仅 用 于 实现 电阻 电容 ， 成 本 很 高 。另 外 ， 由于 集 成 电路 中 的 电 阻 、 电容 值 易 受 工 艺 条 件 影 响 发 生 偏 差 ，导 致 滤 波 器 的截 止 频 率 不 准 确 ，
的新 兴研 究方 向 ，主 要 用 于 穿 戴 式 、植 入 式 医疗 仪 器 中监 测 关 键 生 理 参数 及 实 现 仿 生器 官［ 引。上 述 功 能 的 实现 ，均 基 于对 生 理 信 号 的采 集 、前 端 处 理 ，在 此 过 程 中滤 波 是 一 个 重 要 环 节 。在 医 学应 用 中 ， 滤 波 器 除 了要 求低 功 耗 、 低 噪 声 以外 ， 由于 生 理 信 号 频 率 很 低 ，在 ＤＣ一 １ ０ ｋ Ｈｚ范 围 内 ，还 要 求 滤 波 器
第 １ ８卷 第 １期 ２ ０ １ ３年 ２月
文章编号 ：１ ０ ０ ７ － ０ ２ ４ ９（ ２ ０ １ ３ ） Ｏ １ — ０ ２ ２ ９ — ０ ３
电路 与系统学报
Ｊ ０ＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＩ ＲＣＵＩ ＴＳ ＡＮＤ Ｓ ＹＳ ＴＥ ＭＳ
ＶＯ １ ． １ ８ Ｎｏ ． １
图 经典 Ｒ ｃ有源低通滤波器
／一 ￣ 一
、
，
卜
ｒ Ｄ Ｄ
图 ２ 本 文 提 出 的 Ｒ． ＭＯＳ Ｆ Ｅ Ｔ － Ｃ
低 通 滤 波 器
收藕 日期 ｔ ２ ０ １ ２ － ０ ２ — １ ３ 修 订 日期 ：２ ０ １ ２ — ０ ２ ． ２ ７
基 金 项 目 ｔ 国 家 自然 科 学 基 金 青 年 基 金 项 目 “ 光 电容 积脉 搏波 信 号采 集与 处 理集 成 电路设 计与 实现 中关 键基 础 问题 的研 究 ” （ ６ １ ２ ０ ４ ０ ３ ７ ） ； 国家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 （ ９ ７ ３计 划 ）基 金 资 助 项 目 “ 基 于 多 元信 息 的个 性 化 易损 斑 块 定 量 风 险评 估 及 其 易损 患 者 实 时 早 期 预 警 ” （ ２ ０ １ ０ Ｃ Ｂ７ ３ ２ ６ ０ ６ ） ；广 东 省 引进 创新 科 研 团 队 “ 低 成 本 健 康 技术 创 新 团 队 ” 资 助 项 目 ； 中 国 科 学 院 对 外 合 作 重 点 项 目计 划 资 助 （ Ｇ Ｊ Ｈ Ｚ１ ２ １ ２ ）
关键 词 ｔ Ｒ ． ＭＯＳ Ｆ Ｅ Ｔ － Ｃ滤波 器 ；可 调截止 频率 ；超 低 截止 频率 中 图分 类号 ｔ Ｔ Ｎ４ ３ ２ 文献 标识 码 ｔ Ａ
１
引 言
医学 应 用 的集 成 电路 ， 即 医 学 芯 片 ，是 微 电子 学 、现 代 信 息学 、生 物 医学 工 程 学 等 学 科 交 叉 形 成
Ｒ Ｃ有源滤波器通常需要进行频率调节［ 。
为解 决 上 述 问题 ，本 文 提 出 了一 种 适 用 于 医学器 ，采 用 Ｒ ＭＯＳ Ｆ Ｅ Ｔ － Ｃ 结 构 ， 以 ＭＯＳ Ｆ Ｅ Ｔ作 为 可 调 大 阻
值 电阻 ，实 现 可 调 、低 截 止 频 率 。
Ｆ ｅ ｂ ｒ ｕ ａ ｒ ｙ， ２ ０１ ３
一
种 适 用于 医学领 域 的频 率 可调 滤波 器
李严 １ ， ２ ， 陆云 １ ， ２ ， 张 元亭 １ ， ２ ， ３
（ １ ．中 国科 学 院 健 康 信 息 学重 点 实验 室 ， 广 东 深 圳 ５ １ ８ ０ ５ ５ ； ２ ．中 国科 学 院 深 圳 先 进 技 术 研 究 院 生 物 医 学 与 健 康 工 程 研 究 所 ，广 东 深 圳 ５ １ ８ ０ ５ ５ ；３ ．香 港 中文 大 学 生 物 医 学 工 程 联 合 研 究 中 心 ，香港 ）
２ 电 路 结 构
如 图 １所 示 为 经 典 的 ＲＣ 有 源 二 阶低 通 滤 波 器 ［ ，分 析 此 滤
波 器 的 电路 结 构 及 工 作 原 理 ，可 知 其 截 止 频 率 主 要 由 Ｒ ２ 及 Ｃ２ 决 定， 因此， 增 加 ２ 可 以降低 截 止 频 率 。 本 文 所 提 出 的 Ｒ— ＭＯＳ Ｆ Ｅ Ｔ － Ｃ 滤 波 器 如 图 ２所 示 ，用 ＭＯＳ管 代 替 ２ ，调 节 在 适 当 的 范 围 ，使 Ｍ 工 作 于 亚 阈值 区 ，其 电流一 电压 关 系 可 以表 示 为 ［ ６ 】 ，
摘要 ，本文 提 出了适 用于 医学 领域 的 Ｒ ． ＭＯＳ Ｆ Ｅ Ｔ － Ｃ 滤波 器 ，采用 ＭＯＳ Ｆ Ｅ Ｔ代 替传 统 Ｒ Ｃ 有源 滤波 器 中的 电阻 ，
实 现 可 调 、超 低 截 止 频 率 。该 滤 波 器 采 用 ＵＭＣ ０ ． １ ３ ｇ ｔ ｍ Ｃ ＭＯＳ工 艺 ，电 源 电压 为 １ ． ２ Ｖ。仿 真 结 果 显 示 ，当 外 部 可 调 电 压 ， 即 ＭＯＳ Ｆ Ｅ Ｔ的栅 电压在 ０ ． ６ Ｖ到 ０ ． ８ ４ Ｖ 之 间 变 化 时 ，截 止 频 率 可 随 之 在 ０ ． ２ Ｈｚ到 ２ ９ ２ ． ８ Ｈｚ之 间 变 化 。
ＲＣ 有 源 滤 波 器 由于 具 有 高线 性 度 的 特 点 已被 广 泛 的应 用 。但 是 ， 对 于 医 学 领 域 的应 用 ，基 于 这 种 结 构 实现 低 截 止频 率 需 要 大 数 值 的 电阻 和 电容 ， 意 味 着 需要 很 大 的芯 片 面 积 。 以 ＵＭＣ ０ ． １ ３ ｕ ｍＣ ＭＯＳ 工 艺 为例 ， ｌ ｐ Ｆ电容 和 １ ｋ Ｑ 电 阻分 别 占用 约 ｌ ０ － ３ ｍｍ 和 １ ０ ｍｍ 的 面 积 ， 设截 止 频 率表 示 为 １ ／ ２ ｎ Ｒ Ｃ， 则要 得 到 １ Ｈｚ的截 止 频 率 ， 电阻 、电容 分 别 为 ０ ． ４ ＧＱ、４ ０ ０ ｐ Ｆ时 面 积 最 小 ，为 ０ ． ８ ｍｍ２ ，此 面 积 仅 用 于 实现 电阻 电容 ， 成 本 很 高 。另 外 ， 由于 集 成 电路 中 的 电 阻 、 电容 值 易 受 工 艺 条 件 影 响 发 生 偏 差 ，导 致 滤 波 器 的截 止 频 率 不 准 确 ，
的新 兴研 究方 向 ，主 要 用 于 穿 戴 式 、植 入 式 医疗 仪 器 中监 测 关 键 生 理 参数 及 实 现 仿 生器 官［ 引。上 述 功 能 的 实现 ，均 基 于对 生 理 信 号 的采 集 、前 端 处 理 ，在 此 过 程 中滤 波 是 一 个 重 要 环 节 。在 医 学应 用 中 ， 滤 波 器 除 了要 求低 功 耗 、 低 噪 声 以外 ， 由于 生 理 信 号 频 率 很 低 ，在 ＤＣ一 １ ０ ｋ Ｈｚ范 围 内 ，还 要 求 滤 波 器
第 １ ８卷 第 １期 ２ ０ １ ３年 ２月
文章编号 ：１ ０ ０ ７ － ０ ２ ４ ９（ ２ ０ １ ３ ） Ｏ １ — ０ ２ ２ ９ — ０ ３
电路 与系统学报
Ｊ ０ＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＩ ＲＣＵＩ ＴＳ ＡＮＤ Ｓ ＹＳ ＴＥ ＭＳ
ＶＯ １ ． １ ８ Ｎｏ ． １
图 经典 Ｒ ｃ有源低通滤波器
／一 ￣ 一
、
，
卜
ｒ Ｄ Ｄ
图 ２ 本 文 提 出 的 Ｒ． ＭＯＳ Ｆ Ｅ Ｔ － Ｃ
低 通 滤 波 器
收藕 日期 ｔ ２ ０ １ ２ － ０ ２ — １ ３ 修 订 日期 ：２ ０ １ ２ — ０ ２ ． ２ ７
基 金 项 目 ｔ 国 家 自然 科 学 基 金 青 年 基 金 项 目 “ 光 电容 积脉 搏波 信 号采 集与 处 理集 成 电路设 计与 实现 中关 键基 础 问题 的研 究 ” （ ６ １ ２ ０ ４ ０ ３ ７ ） ； 国家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 （ ９ ７ ３计 划 ）基 金 资 助 项 目 “ 基 于 多 元信 息 的个 性 化 易损 斑 块 定 量 风 险评 估 及 其 易损 患 者 实 时 早 期 预 警 ” （ ２ ０ １ ０ Ｃ Ｂ７ ３ ２ ６ ０ ６ ） ；广 东 省 引进 创新 科 研 团 队 “ 低 成 本 健 康 技术 创 新 团 队 ” 资 助 项 目 ； 中 国 科 学 院 对 外 合 作 重 点 项 目计 划 资 助 （ Ｇ Ｊ Ｈ Ｚ１ ２ １ ２ ）
关键 词 ｔ Ｒ ． ＭＯＳ Ｆ Ｅ Ｔ － Ｃ滤波 器 ；可 调截止 频率 ；超 低 截止 频率 中 图分 类号 ｔ Ｔ Ｎ４ ３ ２ 文献 标识 码 ｔ Ａ
１
引 言
医学 应 用 的集 成 电路 ， 即 医 学 芯 片 ，是 微 电子 学 、现 代 信 息学 、生 物 医学 工 程 学 等 学 科 交 叉 形 成
Ｒ Ｃ有源滤波器通常需要进行频率调节［ 。
为解 决 上 述 问题 ，本 文 提 出 了一 种 适 用 于 医学器 ，采 用 Ｒ ＭＯＳ Ｆ Ｅ Ｔ － Ｃ 结 构 ， 以 ＭＯＳ Ｆ Ｅ Ｔ作 为 可 调 大 阻
值 电阻 ，实 现 可 调 、低 截 止 频 率 。
Ｆ ｅ ｂ ｒ ｕ ａ ｒ ｙ， ２ ０１ ３
一
种 适 用于 医学领 域 的频 率 可调 滤波 器
李严 １ ， ２ ， 陆云 １ ， ２ ， 张 元亭 １ ， ２ ， ３
（ １ ．中 国科 学 院 健 康 信 息 学重 点 实验 室 ， 广 东 深 圳 ５ １ ８ ０ ５ ５ ； ２ ．中 国科 学 院 深 圳 先 进 技 术 研 究 院 生 物 医 学 与 健 康 工 程 研 究 所 ，广 东 深 圳 ５ １ ８ ０ ５ ５ ；３ ．香 港 中文 大 学 生 物 医 学 工 程 联 合 研 究 中 心 ，香港 ）
２ 电 路 结 构
如 图 １所 示 为 经 典 的 ＲＣ 有 源 二 阶低 通 滤 波 器 ［ ，分 析 此 滤
波 器 的 电路 结 构 及 工 作 原 理 ，可 知 其 截 止 频 率 主 要 由 Ｒ ２ 及 Ｃ２ 决 定， 因此， 增 加 ２ 可 以降低 截 止 频 率 。 本 文 所 提 出 的 Ｒ— ＭＯＳ Ｆ Ｅ Ｔ － Ｃ 滤 波 器 如 图 ２所 示 ，用 ＭＯＳ管 代 替 ２ ，调 节 在 适 当 的 范 围 ，使 Ｍ 工 作 于 亚 阈值 区 ，其 电流一 电压 关 系 可 以表 示 为 ［ ６ 】 ，
摘要 ，本文 提 出了适 用于 医学 领域 的 Ｒ ． ＭＯＳ Ｆ Ｅ Ｔ － Ｃ 滤波 器 ，采用 ＭＯＳ Ｆ Ｅ Ｔ代 替传 统 Ｒ Ｃ 有源 滤波 器 中的 电阻 ，
实 现 可 调 、超 低 截 止 频 率 。该 滤 波 器 采 用 ＵＭＣ ０ ． １ ３ ｇ ｔ ｍ Ｃ ＭＯＳ工 艺 ，电 源 电压 为 １ ． ２ Ｖ。仿 真 结 果 显 示 ，当 外 部 可 调 电 压 ， 即 ＭＯＳ Ｆ Ｅ Ｔ的栅 电压在 ０ ． ６ Ｖ到 ０ ． ８ ４ Ｖ 之 间 变 化 时 ，截 止 频 率 可 随 之 在 ０ ． ２ Ｈｚ到 ２ ９ ２ ． ８ Ｈｚ之 间 变 化 。
