一個應用於心電訊號擷取之五階巴特沃茲多差動輸出差動輸入轉導電容低通濾波器

Abstract

本論文提出一個多差動輸出差動輸入轉導電容濾波器(Multiple-Output Differential-Input Operational Transconductance Amplifier-C Filter MODI OTA-C Filter），主要應用於近身端心電訊號擷取裝置。為減少濾波器係數對於製程、電壓以及溫度變異之靈敏度以及訊號失真的影響，濾波器組態採用五階巴特沃茲低通濾波器。為滿足生醫系統所需低?耗與高解析度需求，此研究採用連續時間OTA-C架構來實現類比濾波器，透過將運算轉導放大器操作於弱反轉區，以達到低?率消耗的目的，此外，為了簡化近身端系統架構及提高電路之線性度，此低?率濾波器提出一多差動輸出差動輸入電路，將過去文獻之OTA架構中使用電流分流技術之電流設計為另一差動輸出對，並保有原先降低轉導值之特性，而將整體電流重新分配後，可設計出二組輸出轉導值相同之輸出差動對。將此多差動輸出差動輸入運算轉導放大器配合系統簡化技巧，可將原本五階轉導電容式低通濾波器所需之運算轉導放大器個數由11個降至6個，直接減少了硬體成本與?率消耗，並提高整個濾波器的線性度(此架構在2015/2016年分別取得美國與中華民國發明專利、架構與電路實現測試在今年四月被IEEE TCAS II接受)，量測結果且考量?率消耗與動態範圍已證明具有全世界較佳的技術指標(Figure of Merit FOM)。不過經由電路雜訊分析，此種多差動輸出差動輸入運算轉導放大器所產生之雜訊較傳統運算轉導放大器架構大，並限制整個類比前端電路之訊號雜訊比(Signal-to-Noise Ratio SNR)，為了在不使用大電容減少濾波器雜訊考量下，我們引用了阻抗縮放電路(Impedance Scaler Circuit)技術，進一步提升類比濾波器的性能(已完成量測與論文撰寫，並投稿IEEE TBioCAS期刊)，相較於前一版本(2017/4 accepted by IEEE TCAS II)，技術指標可再進一步提升一個階數(order)。此晶片已由TSMC 0 18μm製程製作並量測，其核心面積為0 135 mm2。由量測結果顯示，在供應電壓1 V下，其?率消耗為390 nW，動態範圍為58 44 dB；當差動輸入訊號振幅為100 mV時，其總諧波失真低於-59 dB，而頻寬量測結果為250 Hz可以濾除心電訊號以外的雜訊干擾。

Date of Award	2017 May 12
Original language	Chinese
Supervisor	Shuenn-Yuh Lee (Supervisor)