Orientadores: Jacobus Willibrordus Swart, Jader Alves de Lima Filho

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação

Resumo: Este trabalho envolve o estudo de uma nova arquitetura para filtros integrados com freqüência de corte em sub-hertz, orientado para aplicações na área biomédica, possuindo requisitos como baixo consumo e baixa tensão de operação. Devido a sua aplicação também em sistemas implantáveis, o...

Resumo: Este trabalho envolve o estudo de uma nova arquitetura para filtros integrados com freqüência de corte em sub-hertz, orientado para aplicações na área biomédica, possuindo requisitos como baixo consumo e baixa tensão de operação. Devido a sua aplicação também em sistemas implantáveis, o circuito deve operar com tensão de alimentação variando de 0,9V até 1,6V. Para as aplicações envolvendo circuitos implantáveis, as variações de temperatura não são críticas, embora o circuito tenha sido projetado para uma variação de 0°C até 100°C. Este estudo engloba análise, projeto, simulação, fabricação e caracterização experimental do filtro, sendo também testado com um modelo de sinal de eletrocardiograma (ECG). O filtro proposto é do tipo gm-C e se utiliza do controle da impedância vista pela fonte de um transistor NMOS para o ajuste da freqüência de corte. Comparativamente a outras topologias, possui vantagens como o simples controle da freqüência de corte, além da facilidade de imposição de uma tensão de modo-comum. Em termos de desvantagens, uma das principais está no fato de haver distorções significativas para sinais de alta amplitude (tipicamente acima de algumas dezenas de mili-volts). Na maioria das aplicações biomédicas, ou mesmo, por exemplo, sinais de origem sísmica, onde ambos possuem componentes de freqüência bem baixas, as amplitudes são de baixa magnitude. O principal parâmetro testado no circuito foi a freqüência de corte e seu ajuste com a corrente de polarização. Ainda, de forma a testar a capacidade do circuito de processar um sinal sem distorção, impondo um modo comum ao mesmo, foi utilizado o padrão adotado pela norma européia CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization) para o sinal de ECG. No desenvolvimento foram utilizadas técnicas de projeto para circuitos de baixa potência, assim como utilização do modelo compacto ACM (Advanced Compact Model) para dimensionamento e cálculos manuais, obtendo-se expressões simples para a freqüência de corte. Fatores importantes para este tipo de projeto como correntes de fuga e nível de inversão do canal foram considerados, assim como as influências das capacitâncias parasitas. As correntes de fuga possuem um modelamento muitas vezes questionável e impreciso. Deste modo, de forma a obter uma idéia clara das fugas envolvidas, duzentos transistores NMOS unitários (0,8?m/10?m) foram colocados em paralelo para medir a fuga nas junções em função da temperatura e tensão reversa de polarização. Os dados obtidos de dez amostras de um mesmo lote mostraram um comportamento dentro do esperado. A média medida das correntes de fuga de um transistor unitário para as temperaturas de 27°C e 85°C foram respectivamente 46fA e 3,4pA. Dois filtros foram projetados para obter uma maior flexibilidade nos testes. Ambos os filtros se utilizam de uma fonte de corrente proporcional à temperatura (PTAT) única de valor típico medido igual a 5,65nA como polarização. Cada filtro se utiliza de um OP-AMP para impor o modo-comum e um divisor de corrente de Bult, obtendo-se uma corrente da ordem de pA para polarizar o filtro propriamente dito. O primeiro filtro usa a própria corrente de PTAT para polarização do nó de entrada que define a freqüência de corte. Com isto, é possível uma compensação de primeira ordem para sua variação com temperatura. O segundo filtro possui uma entrada de corrente independente, de forma que a mesma pode ser alterada externamente, possibilitando verificar a variação da freqüência de corte em função da polarização. A verificação funcional dos sub-circuitos que constituem o filtro, assim como todo o sistema, foi realizada utilizando-se simuladores SMASH/PSPICE/Cadence com modelos Bsim3v3, considerando-se a variação dos parâmetros de processo e intervalo de temperatura de 0ºC à 100ºC. O layout do circuito foi realizado através do programa Cadence, e possui uma área efetiva de 0,263mm2 para os dois filtros. A fabricação foi feita na foundry da AMS, usando-se tecnologia CMOS 0,35?m. A caracterização experimental envolveu análise da freqüência de corte, fugas em junções, resposta a um sinal de ECG, consumo e, comportamento com relação à tensão de alimentação. Resultados experimentais para a freqüência de corte do primeiro filtro, em dez amostras, resultaram em uma média de 2,38Hz e desvio padrão de 0,32Hz. A corrente de referência PTAT apresentou uma média de 6,90nA e um desvio padrão de 1,04nA. O comportamento PTAT da mesma pôde ser observado experimentalmente (de forma indireta) na faixa de 27°C à 85°C. A freqüência de corte em função da corrente de polarização foi analisada usando-se o segundo filtro, que confirmou a dependência linear por quase uma década de variação da corrente de entrada. Também, as respostas aos padrões de sinal de ECG de baixa e alta amplitude foram analisadas com sucesso no primeiro filtro. O trabalho teve seus objetivos alcançados, realizando etapas de especificação, projeto, layout e caracterização. Os resultados experimentais obtidos estão dentro do esperado, validando a arquitetura proposta de um filtro passa-altas, totalmente integrado, com freqüência de corte em sub-hertz

Abstract: This work aims the study of a new topology for integrated filters with cut-off frequencies around sub-hertz, oriented to biomedical applications, having requisites as low consumption and low voltage operation. Due to its application also in implantable systems, the circuit must operate...

Abstract: This work aims the study of a new topology for integrated filters with cut-off frequencies around sub-hertz, oriented to biomedical applications, having requisites as low consumption and low voltage operation. Due to its application also in implantable systems, the circuit must operate with supply voltage varying from 0.9V to 1.6V. For applications involving implantable circuits, temperature variations are not critical, although this circuit was designed for an operation from 0ºC to 100ºC. This study conducts analyses, design, simulation, fabrication and experimental characterization of the filter, being tested with an electrocardiogram signal (ECG). The proposed filter is a gm-C type and uses the control of the impedance seen from the source of a NMOS transistor to adjust the cut-off frequency. Comparatively to other topologies, it has advantages as simple cut-off frequency control and its easiness to impose a common-mode voltage. As drawbacks, one of the most significant is in the fact of having significant distortions with high amplitude signals (tipically above some tens of milli-volts). In most biomedical applications, or even signals with a seismic origin, for example, where both have very low frequency components, their amplitudes are low in magnitude. The main tested parameter in the circuit was the cut-off frequency and its adjustment with the biasing current. Besides, as a test for the circuit capability of processing a signal without distortion, while imposing it a common-mode, it was used a standard from an European norm called CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization) for the ECG signal. In the development were used design techniques for low power circuits, as well as the use of the compact model ACM (Advanced Compact Model) for dimensioning and hand calculations, getting simple expression for the cut-off frequency. Important factors for this kind of project as leakage current and channel inversion level were considered, also the influence of stray capacitances. The leakage current has a doubtful and imprecise modeling. Herewith, as a way to get a better idea of leakage values involved, two hundred unity NMOS transistors (0,8?m/10?m) were placed in parallel in order to measure the junction leakages as a function of temperature and reverse voltage biasing. The obtained data for ten samples of a single batch showed a behavior as expected. The mean value for the leakage currents of a unity transistor for temperatures between 27ºC and 85ºC were repectivelly, 46fA and 3.4pA. Two filters were designed to obtain a larger flexibility during the tests. Both filters use a unique PTAT current source with measured typical value equal to 5,65nA as biasing. Each filter uses an OP-AMP to impose a common-mode voltage and a Bult current divider, getting a current with a magnitude of pA to bias the filter itself. The first filter uses the proportional to temperature (PTAT) current directly from source to bias the input branch that defines the cut-off frequency. The second filter has and independent input, so that it can be changed externally, allowing to verify the cut-off frequency as a function of biasing current. The functional verification of the sub-circuits that build-up the filter, as the whole system, was performed using simulators SMASH/PSPICE/Cadence with Bsim3v3 models, considering the process parameters variations and temperature interval from 0ºC to 100ºC. The circuit layout was developed through Cadence program, and has an effective area of 0,263mm2 for both filters. The fabrication was done on AMS foundry, using the CMOS 0.35?m technology. The experimental characterization considered cut-off frequency analysis, junction leakages, response to an ECG signal, consumption and, behavior with respect to supply voltage. Experimental results for cut-off frequency of the first filter, on ten samples, resulted in a mean value of 2.38Hz with a standard deviation of 0.32Hz. The PTAT current presented a mean value of 6.90nA with 1.04nA of standard deviaton. The PTAT behavior of this current could be experimentally observed on range of 27ºC to 85ºC. The cut-off frequency as a function of biasing current was analyzed using the second filter, which confirmed the linear dependency for almost a decade of input current variation. Also, the responses to ECG standard signals of low and high amplitudes were analyzed successfully on the first filter. This work has achieved its purpose, making specifications stages, design, layout and characterization. The experimental results obtained are within expected, validating the proposed architecture of a high-pass filter, fully integrated, with cut-off frequency in sub-hertz