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5/21/2018 Filtro Ultra Baixo Consumo

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Universidade Estadual de Campinas

Faculdade de Engenharia Eltrica e Computao

DSIF

Departamento de Semicondutores,Instrumentos e Fotnica

Projeto e Caracterizao de um Filtro Gm-C Sub-Hertz

Integrado de Ultra-Baixo Consumo

Autor: Wallace Alane Pimenta

Orientador: Prof. Dr. Jacobus Willibrordus Swart

Co-Orientador: Prof. Dr. Jader Alves de Lima Filho

Trabalho apresentado Faculdade de Engenharia Eltrica e Computao da UNICAMP como

parte dos requisitos exigidos para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Eltrica.

rea de concentrao: Eletrnica, Microeletrnica e Optoeletrnica

Comisso Examinadora

Prof. Dr. Jacobus Willibrordus Swart

Prof. Dr. Sandro Augusto Pavlik Haddad

Prof. Dr. Jos Alexandre Diniz

Campinas, 27/05/2011


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FICHA CATALOGRFICA ELABORADA PELABIBLIOTECA DA REA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP

P649pPimenta, Wallace Alane

Projeto e caracterizao de um filtro gm-C sub-hertzintegrado de ultra-baixo consumo / Wallace AlanePimenta. --Campinas, SP: [s.n.], 2011.

Orientadores: Jacobus Willibrordus Swart, JaderAlves de Lima Filho.

Dissertao de Mestrado - Universidade Estadual deCampinas, Faculdade de Engenharia Eltrica e deComputao.

1. Microeletrnica. 2. Circuitos Integrados. I. Swart,Jacobus Willibrordus. II. Lima Filho, Jader Alves de.

III. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade deEngenharia Eltrica e de Computao. IV. Ttulo.

Ttulo em Ingls: Design and characterization of an integrated sub-hertzian gm-Cfilter with ultra-low consumption

Palavras-chave em Ingls: Microelectronics, Integrated Circuitsrea de concentrao: Eletrnica, Microeletrnica e OptoeletrnicaTitulao: Mestre em Engenharia EltricaBanca examinadora: Sandro Augusto Pavlik Haddad, Jos Alexandre DinizData da defesa: 27/05/2011

Programa de Ps Graduao: Engenharia Eltrica


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Agradecimentos

Agradeo, primeiramente, minha Famlia, que me apoiou e incentivou incondicionalmente

durante todo o perodo de elaborao desta pesquisa.

Meu obrigado ao Prof. Dr. Jacobus Willibrordus Swart e ao Prof. Dr. Jader Alves de Lima

Filho pela orientao e apoio dados durante a elaborao deste trabalho.

Agradecimentos tambm ao Prof. Dr. Mrcio Cherem Schneider e ao colega MSc. Edgar

Maurcio Camacho, da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), pelo auxlio no

desenvolvimento da fonte low-powere nas simulaes usando SMASH.

Ainda equipe de Diviso e Concepo de Sistemas de Hardware DCSH e a DAPE CTI

Renato Archer pelo auxlio com softwares para produo do layoute equipamentos para as

medidas experimentais do projeto, respectivamente. Fundao de Amparo Pesquisa do

Estado de So Paulo FAPESP pelo financiamento da fabricao do prottipo, viabilizado

atravs do Programa Multi-Usurio - PMU.

E, finalmente, quero agradecer em especial a ajuda na reviso da minha dissertao por minha

namorada Maira Migliari Branco e meu amigos Fbio Hideki Okuyama e Henrique Goes.

Ainda a todas as pessoas que, direta ou indiretamente, me auxiliaram durante a pesquisa e

elaborao deste trabalho, caso seus nomes no foram aqui mencionados.


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Este trabalho dedicado memria de minha me,

Maria Aparecida Alane Pimenta,

por toda sua dedicao e apoio.


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Resumo

Este trabalho envolve o estudo de uma nova arquitetura para filtros integrados com

freqncia de corte em sub-hertz, orientado para aplicaes na rea biomdica, possuindo

requisitos como baixo consumo e baixa tenso de operao. Devido a sua aplicao tambm em

sistemas implantveis, o circuito deve operar com tenso de alimentao variando de 0,9V at

1,6V. Para as aplicaes envolvendo circuitos implantveis, as variaes de temperatura no so

crticas, embora o circuito tenha sido projetado para uma variao de 0C at 100C. Este estudo

engloba anlise, projeto, simulao, fabricao e caracterizao experimental do filtro, sendo

tambm testado com um modelo de sinal de eletrocardiograma (ECG).

O filtro proposto do tipo gm-C e se utiliza do controle da impedncia vista pela fonte deum transistor NMOS para o ajuste da freqncia de corte. Comparativamente a outras topologias,

possui vantagens como o simples controle da freqncia de corte, alm da facilidade de

imposio de uma tenso de modo-comum. Em termos de desvantagens, uma das principais est

no fato de haver distores significativas para sinais de alta amplitude (tipicamente acima de

algumas dezenas de mili-volts). Na maioria das aplicaes biomdicas, ou mesmo, por exemplo,

sinais de origem ssmica, onde ambos possuem componentes de freqncia bem baixas, as

amplitudes so de baixa magnitude. O principal parmetro testado no circuito foi a freqncia de

corte e seu ajuste com a corrente de polarizao. Ainda, de forma a testar a capacidade do circuito

de processar um sinal sem distoro, impondo um modo comum ao mesmo, foi utilizado o padro

adotado pela norma europia CENELEC (European Committee for Electrotechnical

Standardization) para o sinal de ECG.

No desenvolvimento foram utilizadas tcnicas de projeto para circuitos de baixa potncia,

assim como utilizao do modelo compacto ACM (Advanced Compact Model) para

dimensionamento e clculos manuais, obtendo-se expresses simples para a freqncia de corte.

Fatores importantes para este tipo de projeto como correntes de fuga e nvel de inverso do canalforam considerados, assim como as influncias das capacitncias parasitas. As correntes de fuga

possuem um modelamento muitas vezes questionvel e impreciso. Deste modo, de forma a obter

uma idia clara das fugas envolvidas, duzentos transistores NMOS unitrios (0,8m/10m) foram

colocados em paralelo para medir a fuga nas junes em funo da temperatura e tenso reversa


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de polarizao. Os dados obtidos de dez amostras de um mesmo lote mostraram um

comportamento dentro do esperado. A mdia medida das correntes de fuga de um transistor

unitrio para as temperaturas de 27C e 85C 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 temperatura (PTAT) nica de valor

tpico medido igual a 5,65nA como polarizao. 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 prpria corrente de PTAT para

polarizao do n de entrada que define a freqncia de corte. Com isto, possvel uma

compensao de primeira ordem para sua variao com temperatura. O segundo filtro possui uma

entrada de corrente independente, de forma que a mesma pode ser alterada externamente,

possibilitando verificar a variao da freqncia de corte em funo da polarizao. A verificaofuncional 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

variao dos parmetros de processo e intervalo de temperatura de 0C 100C.

O layoutdo circuito foi realizado atravs do programa Cadence, e possui uma rea efetiva

de 0,263mm2para os dois filtros. A fabricao foi feita nafoundryda AMS, usando-se tecnologia

CMOS 0,35m. A caracterizao experimental envolveu anlise da freqncia de corte, fugas em

junes, resposta a um sinal de ECG, consumo e, comportamento com relao tenso dealimentao. Resultados experimentais para a freqncia de corte do primeiro filtro, em dez

amostras, resultaram em uma mdia de 2,38Hz e desvio padro de 0,32Hz. A corrente de

referncia PTAT apresentou uma mdia de 6,90nA e um desvio padro de 1,04nA. O

comportamento PTAT da mesma pde ser observado experimentalmente (de forma indireta) na

faixa de 27C 85C. A freqncia de corte em funo da corrente de polarizao foi analisada

usando-se o segundo filtro, que confirmou a dependncia linear por quase uma dcada de

variao da corrente de entrada. Tambm, as respostas aos padres de sinal de ECG de baixa e

alta amplitude foram analisadas com sucesso no primeiro filtro.

O trabalho teve seus objetivos alcanados, realizando etapas de especificao, projeto,

layoute caracterizao. Os resultados experimentais obtidos esto dentro do esperado, validando

a arquitetura proposta de um filtro passa-altas, totalmente integrado, com freqncia de corte em

sub-hertz.


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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

0C to 100C. 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, ithas 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 (0,8m/10m)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

27C and 85C were repectivelly, 46fA and 3.4pA.


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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 0C to 100C.

The circuit layout was developed through Cadence program, and has an effective area of

0,263mm2for both filters. The fabrication was done on AMS foundry, using the CMOS 0.35mtechnology. 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 27C to 85C. The cut-off frequency as a function of biasing

current was analyzed using the second filter, which confirmed the linear dependency for almost adecade 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.


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Sumrio

Lista de Figuras ............................................................................................................................. xii

Lista de Tabelas ............................................................................................................................ xiv

Lista de Abreviaes ...................................................................................................................... xv

Lista de Smbolos ......................................................................................................................... xvi

Trabalhos Publicados pelo Autor ................................................................................................ xvii

Captulo 1 ......................................................................................................................................... 1

Introduo ................................................................................................................................ 1

1.1

Motivao ......................................................................................................................... 2

1.2

Objetivos .......................................................................................................................... 2

1.3 Organizao Estrutural ..................................................................................................... 3

Captulo 2 ......................................................................................................................................... 4

Topologias Atuais e Comparaes .......................................................................................... 4

2.1 Exemplos de Fitros com Alta Constante de Tempo ......................................................... 5

2.2 Filtro Passa-Altas de 1 Ordem ........................................................................................ 7

2.3 Comparativo entre alguns filtros .................................................................................... 10

Captulo 3 ....................................................................................................................................... 12

Projeto do Filtro .................................................................................................................... 12

3.1 Sistema ........................................................................................................................... 12

3.2 Filtro Passa-Altas ........................................................................................................... 14

3.3 Referncia de Corrente PTAT de Ultra-Baixa Potncia ................................................ 19

3.4 Divisor de Corrente de Bult ............................................................................................ 22

3.5 OP-AMP de Baixa Potncia ........................................................................................... 23

3.6

Seguidor de Sada ........................................................................................................... 24

Captulo 4 ....................................................................................................................................... 27

Resultados de Simulao ....................................................................................................... 27

4.1 Referncia de Corrente PTAT ......................................................................................... 27

4.2 OP-AMP .......................................................................................................................... 29

4.3 Seguidor .......................................................................................................................... 31


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4.4 Filtros .............................................................................................................................. 33

4.4.1 Anlise AC e Rudo do Filtro ........................................................................................ 33

4.4.2 Anlise DC e Transiente do Filtro ................................................................................. 36

Captulo 5 ....................................................................................................................................... 41

Resultados Experimentais ..................................................................................................... 41

5.1 Referncia de Corrente e Divisor de Bult ....................................................................... 42

5.2 Transistores UnitriosMedida de Corrente de Fuga .................................................... 43

5.3 Filtro ................................................................................................................................ 46

5.4 Comparao de Resultados: Simulados x Experimentais ............................................... 53

Captulo 6 ....................................................................................................................................... 55

Concluses e Perspectivas Futuras ........................................................................................ 55

Referncias Bibliogrficas ............................................................................................................. 57

7 Anexos ......................................................................................................................................... 60

Anexo 1: Dimensionamento dos Circuitos ..................................................................................... 60

Anexo 2: Microfotografias do Circuito Projetado .......................................................................... 63


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Lista de Figuras

Figura 2.1.1: Exemplo de tcnica de associao srie-paralela de transistores [4].

Figura 2.1.2: Esquema exemplo de utilizao de escalonamento de capacitncia [9].Figura 2.1.3: Exemplo de filtro passa-baixas usando capacitor chaveado [10].

Figura 2.2.1: Filtro Passa-Altas de 1 ordem.

Figura 2.2.2: Diagrama de Bode de Filtro Passa-Altas de 1 ordem.

Figura 3.1.1: Diagrama de blocos dos sistema desenvolvido.

Figura 3.2.1: Esquemtico simplificado do Filtro Passa-Altas.

Figura 3.2.2: Esquemtico detalhado do Filtro Passa-Altas.

Figura 3.2.3: Modelo de pequenos sinais para clculo da freqncia de corte.

Figura 3.3.1: Esquemtico simplificado da fonte de corrente de baixa potncia.

Figura 3.3.2: Esquemtico detalhado da fonte de corrente de baixa potncia.

Figura 3.4.1: Esquemtico do Divisor de Bult para o Filtro 1.

Figura 3.5.1: Esquemtico do OP-AMP de Baixa Potncia.

Figura 3.6.1: Esquemtico do Seguidor de Sada.

Figura 4.1.1: Anlise DC da (a) corrente IREF(ID) e (b) tenso VREF(VREFP) de referncias, com

variao de processo a 27C.

Figura 4.1.2: Anlise em temperatura da corrente IREFe tenso VREFde referncias, para processo

tpico e com extremos de valores de alimentao.

Figura 4.2.1: Curvas de Bode para o OP-AMP, com variao de processo, temperatura e

polarizao.

Figura 4.3.1: Anlise AC, com simulao PVT do Seguidor, com modo comum de 0,15V, cargas

variando de 50fF - 50pF e 1M100M.


variando de 50fF - 50pF e 1M100M.Figura 4.4.1: Anlise AC do Filtro 1, com processo tpico e temperaturas de 0C, 27C e 100C.

Figura 4.4.2: Anlise AC do Filtro 2, com processo tpico e temperaturas de 0C, 27C e 100C.

Figura 4.4.3: Anlise de Rudo do filtro, em condies tpicas e VDDde 1,5V.

Figura 4.4.4: Offsetdo filtro, com descasamento nos (a) seguidores e nas (b) fontes de corrente.


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Figura 4.4.5: Sadas do filtro e seguidor do Filtro 1, com uma senide de 5,25Hz aplicada

entrada, 0,9V VDDe VREFcomo modo-comum.


entrada, 0,9V VDDe 0,4V como modo-comum.

Figura 4.4.7: Sadas do filtro e seguidor do Filtro 2, com o padro ECG (CENELEC) de baixa

amplitude aplicado entrada, 0,9V VDD.

Figura 4.4.8: Sadas do filtro e seguidor do Filtro 2, com o padro ECG (CENELEC) de alta


Figura 5.1: Microfotografia do chip, sendo: 1. Referncia de Corrente, 2. Divisores de Bult, 3.

OP-AMP, 4. Seguidor de Sada, 5. Capacitor de Entrada CCe 6. MOS para Teste de

Corrente de Fuga.

Figura 5.1.1: Medida do dobro da corrente de referncia PTAT em funo de V DD.Figura 5.1.2: Medida do ramo de 40pA do divisor de Bult em funo de VDS.

Figura 5.2.1: Curva IDx VGSde 200 transistores unitrios.

Figura 5.2.2: Corrente de Fuga para 200 transistores unitrios @ 27C.

Figura 5.3.1: Consumo de VDDcom os dois filtros.

Figura 5.3.2: Freqncia de Corte do Filtro 1, Amostra 1 @ 27C, 0,9V.

Figura 5.3.3: Diagrama de Bode medido, do Filtro 1 (Amostra 1).

Figura 5.3.4: Diagrama de Bode medido, do Filtro 2 (Amostra 1).Figura 5.3.5: Variao da Freqncia de Corte em Funo da Corrente de Polarizao (0,9V).

Figura 5.3.6: Sinal Padro de ECG de Baixa Amplitude do Filtro 2, Amostra 1 @ 27C, 0,9V.

Figura 5.3.7: Sinal Padro de ECG de Alta Amplitude do Filtro 2, Amostra 1 @ 27C, 0,9V.

Figura A.2.1: Microfotografia da Fonte de Corrente de Baixa Potncia.

Figura A.2.2: Microfotografia do OP-AMP.

Figura A.2.3: Microfotografia do Seguidor de Sada.

Figura A.2.4: Divisores de Bult e Espelho de Corrente (para polarizao do OP-AMP).

Figura A.2.5: Transistores NMOS para Teste de Corrente de Fuga.


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Lista de Tabelas

Tabela 2.3.1: Comparativo entre Filtros Biomdicos OTA-C com Alta Constante de Tempo.

Tabela 4.2.1: Valores tpicos da simulao AC do OP-AMP.

Tabela 4.2.2: Valores da simulao AC do OP-AMP, considerando variaes PVT.

Tabela 4.3.1: Valores tpicos da simulao AC do seguidor, com carga de 50pF e 10M.

Tabela 4.3.2: Valores da simulao AC do Seguidor (PVT).

Tabela 5.2.1: Corrente de Fuga nos Transistores Unitrios em Vrias Amostras (V DSde 1V).

Tabela 5.3.1: Freqncia de Corte, Tenso e Corrente PTAT em Vrias Amostras (0,9V).

Tabela 5.4.1: Comparativo das Principais Caractersticas (Simulao x Experimental).

Tabela A.1.1: Dimenses/Valores dos Componentes do OP-AMP.

Tabela A.1.2: Dimenses/Valores dos Componentes do Seguidor de Sada.

Tabela A.1.3: Dimenses/Valores dos Componentes da Referncia de Corrente.

Tabela A.1.4: Dimenses/Valores dos Componentes dos Divisores de Bult.

Tabela A.1.5: Dimenses/Valores dos Componentes dos Filtros (Sistema).Tabela A.1.6: DimensesCircuitos do Filtro.


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Lista de Abreviaes

DCDirect CurrentCorrente Direta. A corrente no inverte o sentido.

ECGEletrocardiograma.

EEGEletroencefalograma.

EMGEletromiograma.

CMOSComplementary Metal-Oxide Semiconductor.

AMSAustria Micro Systems.

OP-AMPOperational Amplifier (Amplificador Operacional).

PMUPrograma Multi-Usurio.

FAPESPFundao de Amparo Pesquisa do Estado de So Paulo.

PTATProportional to Absolute Temperature.

PADEstrutura receptculo de bond-wirespara conexo com o encapsulamento.

MOSMetal-Oxide Semiconductor.

ACAlternate CurrenteCorrente Alternada.

PVTProcess, Voltage and Temperature.

GBWGain-Bandwidth ProductProduto Ganho Banda-passante.

THDTotal Harmonic DistortionDistoro Harmnica Total.CENELECEuropean Committee for Electrotechnical Standardization.

ESDElectrostatic DischargeDiscarga Eletrosttica.


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Lista de Smbolos

Smbolo Descrio UnidadeGm Transcondutncia S

Frequncia angular rad/s

q Carga elementar do eltron C

ni Concentrao intrnseca de portadores cm-3

xd Largura da regio de depleo cm

SC Tempo de vida de gerao no espao de carga sNA Concentrao de impurezas aceitadoras cm

-3

Ks Constante dieltrica do silcio Adimensional

0 Permissividade do vcuo F/m

bi Potencial de inverso V

t Tenso trmica mV

k Constante de Boltzmann m2

kg s-2

K-1

Ganho de rea nas relao dos transistores da corrente dereferncia

Adimensional

V/t Variao temporal da tenso V/s

Desvio padro do espao amostral -

Constante matemtica de valor aproximado 3,14159265 Adimensional

VTH Tenso de limiar de um transistor MOS V

T Temperatura Absoluta K


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Trabalhos Publicados pelo Autor

J. A. De Lima, W. A. Pimenta A Fully Integrated High-Pass Filter for Very Low Frequency

Applications, IEEE International Symposium on Circuits And Systems, Taipei, May 2009.


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Introduo

1

Captulo 1

Introduo

O desenvolvimento de dispositivos para aplicaes biomdicas cresceu muito nos ltimos

anos devido a uma demanda mercadolgica associada necessidade humana de melhoria dos

cuidados com a sade, rea na qual a evoluo tecnolgica dos ltimos anos tem colaborado

muito [1]. Ainda, cada vez maior a demanda na rea biomdica por circuitos mais complexos e

de baixo consumo capazes de, alm de supervisionar, tambm atuar no caso de alteraes

indesejadas na grandeza monitorada.Grandezas relacionadas a fenmenos naturais como biomdicas, sismolgicas, geofsicas,

astrofsicas, vibraes, etc., so geralmente fracas em magnitude e com componentes em

freqncia na faixa de hertz e sub-hertz. Estes sinais normalmente so acompanhados de rudo e

de elevadas tenses de modo-comum.

Para processamento destes sinais, em muitos casos, necessrio uma filtragem inicial,

removendo-se a componente DC. Porm, no tratamento de sinais em sub-hertz, as constantes de

tempos envolvidas so muito altas (na ordem de dezenas de segundos), sendo particularmente

difcil sua implementao em um circuito de forma totalmente integrada.

No caso de um filtro para sinais de Eletrocardiograma (ECG), a frequncia de corte deve

ser selecionada de tal forma que as informaes contidas no sinal permaneam sem distoro. Isto

geralmente definido pela menor frequncia do corao, que pode chegar a 40 bpm, implicando

que a mais baixa frequncia cerca de 0,67Hz. Como no h preciso neste valor, uma

frequncia de corte ao redor de 0,5Hz geralmente suficiente para monitoramento, mas no para

diagnstico, que fica em torno de 0,05Hz. [2,3]

O projeto de circuitos para sinais biomdicos, seja ECG, Eletroencefalograma (EEG),

Eletromiograma (EMG) ou sinais que envolvam quantidades qumicas, so particularmente

desafiadores por exigirem diversas caractersticas que atingem o limite da tecnologia. Entre estas

caractersticas, necessrias principalmente em sistemas implantveis, temos a baixa potncia, a

qual indiretamente exige operao de circuitos CMOS na regio de inverso fraca. Isto


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Introduo

2

essencial devido vida ltil das baterias usadas na alimentao destes circuitos, reduzindo o

nmero de intervenes necessrias para a troca da mesma. Tambm, a amplitude dos sinais

envolvidos so muito baixas, indo de alguns micro-volts a poucas dezenas de mili-volts. Isto

exige dos circuitos atrelados cadeia de processamento baixo rudo equivalente. Outra

caracterstica destes sinais, como j mencionado para o ECG, so suas componentes em baixas

frequncias, que podem ir at poucos quilo-hertz, levando ao emprego de tcnicas para se obter

constantes de tempos elevadas, sem alto custo de rea de silcio.

1.1 Motivao

O crescente uso da eletrnica empregada no monitoramento e tratamento de doenas tem se

mostrado eficiente e cada vez mais importante. Informaes trazidas por equipamentos de

monitorao com o uso de eletrnica porttil, assim como a eletrnica implantvel so

indiscutivelmente cada vez mais fundamentais, fazendo com que o desenvolvimento e melhoria

no projeto deste tipo de circuito se tornem imprescindveis.

Portanto, desenvolver novas topologias e tcnicas para projetos que so parte de sistemas

integrveis um desafio para o desenvolvimento de vrias reas da cincia, desde a engenharia

aplicada at a medicina preventiva e corretiva.

1.2 Objetivos

Diante dos desafios e necessidades apresentados, o trabalho foca no desenvolvimento de

uma topologia que se adeque aos requisitos exigidos para um circuito implantvel, como baixo

consumo e tenso de operao, alm de processamento de sinais de baixa amplitude.

Consequentemente, h a necessidade de operao com tenses equivalentes a uma bateria

descarregada, o que garante longevidade de utilizao do equipamento. H necessidade ainda de

ser um circuito econmico no que tange utilizao de rea em silcio, ajudando na viabilidade

econmica destes sistemas.

Alm disso, fundamental para a topologia proposta ser uma estrutura de fcil

desenvolvimento, o que reduz os custos envolvidos alm de minimizar os riscos inerentes a


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Introduo

3

complexidade dos circuitos, tais como erros de projeto que muitas vezes so detectados apenas

em fase j de utilizao. Assim, devido ao risco inerente da aplicao, um circuito de fcil projeto

e que atenda aos requisistos de operao para um sistema de processamento de sinais biomdicos

o foco principal deste trabalho.

1.3 Organizao Estrutural

A dissertao de mestrado foi dividida em sees relacionadas s etapas de todo o processo

de desenvolvimento do circuito integrado. Partindo da proposio e comparativos at os

resultados finais. O captulo seguinte traz algumas topologias empregadas atualmente no

desenvolvimento de circuitos para sinais biolgicos, assim como uma comparao das principais

caractersticas destes circuitos, com as obtidas pelo trabalho proposto na tese.

O terceiro captulo descreve o projeto do circuito propriamente dito, trazendo o

detalhamento de cada bloco componente do filtro, assim como explicaes sobre a montagem do

sistema criado, de modo a facilitar os testes tanto do filtro como dos blocos individuais. J o

quarto captulo traz os principais resultados obtidos atravs de simulao do circuito projetado,

com ferramentas auxiliares de desenvolvimento. Ajustes necessrios ao projeto foram feitos nesta

fase, principalmente para adequao s variaes de processo ou mesmo temperatura.

O quinto captulo exibe os resultados experimentais obtidos com testes dos blocos

individuais e do sistema de filtros projetados, que so discutidos detalhadamente, e comparados

com os resultados obtidos via simulao. Isto permite uma melhor viso das ferramentas

utilizadas e o quanto seus resultados, com os modelos utilizados, podem ser confiveis para o

projeto de circuitos de baixa potncia. Por fim, resultados para correntes de fuga para a tecnologia

empregada (AMS CMOS 0,35m), que comumente so alvos de discusses e dvidas no

desenvolvimento de alguns circuitos que se utilizam de baixas correntes (cerca de pA).

Finalmente, no Captulo 6 so feitas as concluses finais do trabalho e algumas discussessobre projetos futuros para o desenvolvimento de filtros eficientes e melhores para emprego no

processamento de sinais biolgicos e que envolvam, em geral, baixas frequncias e potncia. Em

seguida, nos anexos, so apresentadas as tabelas contendo o dimensionamento dos circuitos de

todo o sistema desenvolvido, assim como microfotografias dos blocos e do chipmicrofabricado.


21/81

Topologias Atuais e Comparaes

4

Captulo 2


Circuitos envolvendo constantes de tempo muito altas so frequentemente usados para

processar sinais de baixa frequncia, com componentes em sub-hertz. Recentemente, muitos

esforos de pesquisas so direcionados ao desenvolvimento de OTAs com transcondutncias

muito pequenas (pA/V), para aplicaes biomdicas e em redes neurais. Alguns destes circuitos

so transdutores V-I, que alm de usar baixas correntes (nA e pA), usam tcnicas como diviso

de corrente para conseguir estes valores de constante de tempo [4].

Ainda, umas das preocupaes recorrentes deste tipo de circuito o offset, que pode ser

crtico em aplicaes com ps-processamento que dependa do modo-comum do sinal. Para isto,

uma das abordagens a combinao srie-paralela de transistores unitrios. Estes tipos de OTAs

so empregados no projeto de filtros Gm-C (transcondutor-capacitor). Alm da baixa

transcondutncia, algumas tcnicas de aumento da linearidade so empregadas. Vrios trabalhos

tm sido desenvolvidos para obteno de amplificadores de baixa transcondutncia [5,6].

Em aplicaes com sinais biomdicos (como ECG, EEG, etc.), alguns sistemas usam

circuitos para desacoplamento do sinal de modo-comum, de forma a evitar a saturao do pr-

amplificador [7]. Para tal, filtros passa-altas na entrada de sistemas de processamento de sinal

geralmente uma escolha, ou mesmo o uso de filtro passa-banda. Este ltimo possibilita impr o

modo-comum desejado (reduzindo a necessidade de uma alta faixa dinmica), ao mesmo tempo

que reduz esprios de alta frequncia.

Alternativamente, sistemas que usam um filtro passa-altas entrada, juntamente com um

filtro passa-baixas em outro ponto do sistema pode ser uma alternativa. Dependendo da aplicao

(menos sensvel a rudos de baixa frequncia), um filtro passa-altas de primeira ordem pode sersuficiente, visto que o principal objetivo aumentar a faixa dinmica do circuito. Com base nisto,

o foco do trabalho apresentado sobre um filtro passa-altas de entrada, de construo simples, e

eficiente no processamento da informao. A utilizao do filtro passa-altas reduz a

complexidade do circuito de processamento de entrada, uma vez que reduz a necessidade de uma


22/81


5

grande faixa dinmica para o mesmo. Detalhes do filtro de primeira ordem dado na seo

seguinte. O projeto detalhado do filtro proposto se encontra no captulo seguinte.

2.1 Exemplos de Fitros com Alta Constante de Tempo

Diversas tcnicas so utilizadas na produo de filtros e circuitos em geral, envolvendo altas

constante de tempo. Dentre estas, abaixo esto listadas algumas das mais utilizadas em projeto de

circuitos integrados.

Alm de tcnicas como diviso de corrente e cancelamento de corrente [8], circuitos de

baixa potncia so implementados tambm com associao srie e paralela de transistores.

Apesar da maior rea utilizada, este tipo de tcnica permite melhor casamento dos transistores,

reduzindo seus efeitos que so mais aparente quando se opera em inverso fraca [4]. Assim,

baseado nesta tcnica, possvel reduzir a transcondutncia atravs do espelhamento de corrente

com essa associao de transistores. Na Figura 2.1.1 abaixo possvel ver a forma de

implementao desta tcnica, mostrando uma estrutura de espelhamento que pode ser usada na

construo de um OTA, por exemplo.

Figura 2.1.1: Exemplo de tcnica de associao srie-paralela de transistores [4].


23/81


6

Outra tcnica utlizada para obter baixas constantes de tempo o escalonamento de

capacitor. Atravs da utilizao do Efeito Miller, possvel reduzir a impedncia efetiva de

entrada, aumentando significativamente o valor da corrente enquanto mantendo a mesma tenso

de entrada. A corrente amostrada, amplificada e realimentada entrada, a impedncia

equivalente escalonada pelo ganho de corrente [9]. Com isto emula-se um maior capacitor

entrada do circuito, atravs do escalonamento, permitindo economia de rea para implementar

circuitos com menores frequncias. Detalhe do circuito mostrado na Figura 2.1.2 a seguir.

Figura 2.1.2: Esquema exemplo de utilizao de escalonamento de capacitncia [9].

Algo tambm vastamente utilizado em eletrnica, principalmente eletrnica integrada, a

utilizao de tcnicas envolvendo capacitores chaveados. Com isto, possvel emular resistores

com valores elevados, permitindo assim, a obteno da constante de tempo de alto valor, com

economia na rea utilizada pelo circuito. Esta economia oriunda da no utilizao de resistores

presentes na tecnologia, que so demasiadamente grandes para estes valores e, da no associao

de diversos elementos, que tambm contribuem para este aumento.

Entretando, estes tipos de circuitos trazem algumas complicaes para o projeto, como por

exemplo, cuidados com interferncia entre ns, uma vez que possuem sinais chaveados. Isto,

alm dos circutos auxiliares para a gerao destes sinais. Apesar disto, as vantagens so maiores,


24/81


7

mesmo para circuitos de baixa potncia (devido maiores impedncias envolvidas, so mais

susceptveis interferncia) e, este tipo de tcnica tem cada vez mais utilizao na aplicao de

circuitos para processamento de sinais biomdicos. Na Figura 2.1.3 a seguir, um exemplo da

utilizao desta tcnica para um circuito de um filtro passa-baixas [10]. A mesma tcnica

utilizada tambm na produo de outros tipos de filtros, como filtro passa-altas. Alm destas

apresentadas, outras tcnicas que procuram reduzir a potncia utilizada e mesmo aumentar as

impedncias vista nos ns do sinal, so empregadas na composio de circuitos que envolvam o

processamento analgico de sinais biomdicos.

Figura 2.1.3: Exemplo de filtro passa-baixas usando capacitor chaveado [10].

2.2 Filtro Passa-Altas de 1 Ordem

O esquemtico de um filtro passa-altas de 1 ordem mostrado na Figura 2.2.1.

Basicamente, um divisor de tenso, tendo como elemento de entrada uma capacitncia C, sendo

a sada tomada sobre um resistor R.


25/81


8

Figura 2.2.1: Filtro Passa-Altas de 1 ordem.

Como anlise bsica, temos que para frequncias muito baixas (prximas DC), o capacitor

age como um circuito aberto, no permitindo a passagem do sinal. Nesta condio o ganho

VOUT/VIN muito baixo. Para frequncias mais elevadas, acima da frequncia de corte, o

capacitor age como um circuito fechado, permitindo que o sinal de V INaparea a sada VOUT.

As frequncias que sero bloqueadas ou que aparecero na sada so determinadas pelafrequncia de corte do filtro, que por sua vez definida pelos valores dos componentes C e R.

Assim, a funo de transferncia do circuito no domnios

1

sRC

sRC

V

VsH

IN

OUT (2.1)

Fazendos=j, temos o mdulo e fase deste circuito, respectivamente

12

RC

RCjH

(2.2)

RCjH arctan90 (2.3)

onde = 2f, a frequncia angular ef a frequncia fsica.A frequncia de corte do circuito determinada quando metade da potncia de entrada

entregue carga, ou alternativamente, quando a tenso na carga corresponde a 1/2 da tenso de

entrada. Isto na curva de ganho de tenso igual a uma queda de 3dB, em relao a banda

passante. O valor da frequncia de cortefcem um circuito de primeira ordem dada por


26/81


9

RCfc 21 (2.4)

O comportamento geral do filtro pode ser visualizado atravs do Diagrama ou Curva de

Bode, como mostrado na Figura 2.2.2 abaixo. Observando o comportamento da curva, pode-se

extrair alguns detalhes do comportamento do circuito. Como esperado, este possui ganho

aproximadamente unitrio na banda passante, a menos do erro do divisor de tenso (o chamado

erro da banda passante). Ainda, para frequncias abaixo da frequncia de corte ele sofre uma

atenuao constante de cerca de 20dB/dcada, caracterstica de um sistema com um nico zero. A

fase, como esperado comea adiantada em 90 em relao entrada. Isto devido corrente em

baixas frequncia, que basicamente a corrente do capacitor, que impe esta defasagem, j que o

resistor de sada no altera a fase do circuito. Para frequncias acima do corte, o capacitor no

influencia mais a fase do circuito, ento a sada fica praticamente em fase com a entrada.

Figura 2.2.2: Diagrama de Bode de Filtro Passa-Altas de 1 ordem.

Circuitos de primeira ordem so relativamente fceis de projetar, eliminando dificuldades

no projeto, como reduo do overshooting e oscilaes. Entretando, sua variao do ganho em

frequncia (20dB/dc) muitas vezes se torna impraticvel em diversas aplicaes.


27/81


10

2.3 Comparativo entre alguns filtros

Muitas vezes, as tcnicas apresentadas so utilizadas no desenvolvimento de um OTA, para

utilizao em filtros ou mesmo integradores que envolvam baixas frequncias (por volta de

poucas dezenas de mili-hertz). Dependendo do sinal a ser processado, alguns sistemas podem

exigir a utilizao de diversos tipos de filtros, como passa-baixas, passa-altas e passa-faixa.

Muitos dos filtros integrados com alta constante de tempo encontrados na literatura so

projetados para sua utilizao como passa-baixas, que por sua aplicao possuem frequncias de

corte maiores do que o circuito desenvolvido neste trabalho (frequncias acima das componentes

do sinal).

Como forma de apresentar um comparativo entre alguns trabalhos publicados nesta rea e o

projeto proposto e desenvolvido neste trabalho, a Tabela 2.3.1 abaixo mostra algumascaractersticas de cada filtro que envolvem alta constante de tempo, de forma a comparar

principalmente, as potncias e frequncias envolvidas nestes tipos de circuitos integrados.

Para sinais de ECG, as componentes em frequncia do sinal esto em torno de 500Hz

1kHz, fazendo-se na maioria das vezes necessrio a utilizao de um filtro passa-baixas para

evitar interferncia de componentes de mais altas frequncias [11]. Entretanto a complexidade na

confeco de filtros com frequncia de corte na faixa de, mesmo que poucos, quilo-hertz

inferior ao desafio de projeto de filtros em sub-hertz, que o foco deste trabalho.

Tabela 2.3.1: Comparativo entre Filtros Biomdicos GM-C com Alta Constante de Tempo.

TipoOrdem do

FiltroTecnologia VDD Potncia Frequncia

Passa-Baixas [12] 5 0,18m CMOS 1V 453nW 250Hz

Passa-Baixas [13] 2 0,35m CMOS 1,5V 96,5nW 3,8Hz

Passa-Faixa [14] 1 CMOS 1,5V 75W 525kHz

Wavelet [15] 6 0,35m CMOS 1,5V 51nW 1,33kHzPassa-Altas

(Este Trabalho)1 0,35m CMOS 0,9V 100nW 0,08Hz

Apesar de funes diferentes, possvel observar a discrepncia de valores entre os diversos

circuitos. O circuito passa-baixas de 2 ordem, por exemplo, mesmo sendo de 2 ordem e


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11

consumindo a mesma potncia do filtro proposto, possui um tenso de operao mnima quase

70% maior que o proposto neste trabalho. Ainda, sua frequncia de corte maior que a do

proposto em mais de uma dcada.

Vale ressaltar, para o filtro passa-altas, boa parte das aplicaes encontradas podem ser

satisfeitas apenas com um filtro de 1 ordem, mas com um bom controle de sua frequncia de

corte. Assim, os filtros apresentados como comparao, servem como um bom exemplo das

relaes existentes entre as caractersticas dos filtros, mesmo sendo de ordens diferentes.


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Projeto do Filtro

12

Captulo 3

Projeto do Filtro

Neste captulo, sero detalhados o projeto e os principais aspectos do dimensionamento de

todos os circuitos que compem o sistema do filtro proposto. As dificuldades relevantes

encontradas em cada bloco/etapa relacionadas ao projeto tambm sero comentadas.

A tecnologia empregada para o projeto do prottipo foi a AMS CMOS 0,35m, com

dispositivos 3,3V e com VTH (tenso de limiar) entre 0,5V - 0,7V, que bom para a aplicao.

Entretanto, quanto menor o VTH de um transistor, mais fcil o projeto em inverso fraca. Afabricao foi feita atravs do programa PMU-FAPESP. A escolha da tecnologia empregada afeta

o valor mnimo de alimentao que podemos obter para o circuito. Esta tecnologia AMS 0,35m

amplamente usada e comercialmente vivel para produo dos dispositivos de baixa potncia.

Como a aplicao pretendida para o filtro foi a rea biomdica, com possiblidade de

utilizao em dispositivos implantveis, algumas caractersticas so fundamentais, tais como:

baixo consumo de corrente, operao em tenses baixas (at 0,9V) e integrao do maior nmero

possvel de componentes. Para este valor mnimo da tenso foi tomado como base uma bateria

descarregada de Ltio (1,5V nominal), comumente empregada em aplicaes implantveis [16].

Assim, como especificao, o filtro deve funcionar entre 0,9V e 1,6V.

3.1 Sistema

O sistema foi construdo de forma a poder validar o maior nmero possvel de variveis

envolvidas no projeto do filtro. Como uma caracterstica desejada, foram feitas as integraes doscomponentes e circuitos necessrios para anlise de testes. Assim, dois filtros foram construdos,

1 e 2, de forma que o primeiro contempla o sistema completo e o segundo um sistema com as

entradas disponveis no encapsulamento, podendo ser controladas individualmente. Assim, como

principais diferenas (alm de algumas construtivas, detalhadas adiante), o Filtro 1 visa qualificar


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Projeto do Filtro

13

o filtro passa-altas completo, enquanto que o Filtro 2 serve como base para checar os blocos

envolvidos no projeto.

O filtro passa-altas desenvolvido um bloco (Filtro 1 ou 2) que para polarizao se utiliza

de uma referncia em corrente alm da alimentao em tenso. Corrente esta, como ser

demonstrado a seguir, com comportamento proporcional temperatura (PTAT). Com isto, se faz

necessrio a introduo de um circuito de referncia integrado ao filtro. Ademais, como o ramo

de sada do filtro envolve uma corrente muito baixa (tipicamente 10pA), este no tem capacidade

de operar com uma carga que consiste em um PAD juntamente com o terminal do

encapsulamento e uma ponta de osciloscpio. Para isto, foi projetado um circuito seguidor, com

uma alimentao independente, para visualizao do sinal de sada do filtro. Um segundo ramo

de polarizao com a corrente PTAT usado no filtro, porm como uma frao do valor de

referncia, para definio da frequncia de corte. Paral tal usado um bloco divisor de corrente.Um segundo filtro construdo de forma paralela, s que, com possiblidade de usar

referncias externas de corrente e tenso. A entrada deste filtro independente da primeira e o

valor do divisor de corrente diferente (com uma atenuao maior). O diagrama completo

mostrado na Figura 3.1.1 a seguir.

Figura 3.1.1: Diagrama de blocos dos sistema desenvolvido.


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Projeto do Filtro

14

O projeto delhado de cada bloco mostrado nas sees seguintes.

3.2 Filtro Passa-Altas

O esquema de construo do filtro passa-altas mostrado na Figura 3.2.1. Ele compreende,

basicamente, dois seguidores de fonte idnticos, MF3-4, polarizados por fontes de corrente de

mesmo valor IF. Os dois ramos so ligados de forma que a tenso na porta dos seguidores seja a

mesma. Com isto, assumindo-se casamento ideal entre os transistores e fontes de corrente, a

tenso no terminal de fonte dos seguidores ser a mesma. Ento, para se impor a tenso de modo-

comum em um dos seguidores (na sada, com MF3) utilizado um OP-AMP, com a realimentao

feita atravs do outro seguidor. A tenso de referncia colocada na entrada no-inversora do

OP-AMP e aparece como modo-comum da fonte do seguidor de sada (MF3). O sinal de entrada

colocado, atravs de um capacitor de desacoplamento CC, no mesmo n de sada VOUT. Para este

projeto, o valor de CCutilizado foi de 50pF.

Figura 3.2.1: Esquemtico simplificado do Filtro Passa-Altas.

Este filtro proposto para aplicaes com sinais de baixa amplitude, acerca de no mximo

algumas dezenas de mili-volts (mV), com aplicaes para sinais como eletrocardiograma(ECG),

ssmicos, etc. Sendo a frequncia de corte funo da transcondutncia vista pela fonte, a mesma


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Projeto do Filtro

15

varia com sinais de amplitudes maiores. Devido isto, ocorre distoro em sinais de grande

amplitude, limitando a excurso do sinal a valores onde a distoro aceitvel para a aplicao.

Em circuitos eletrnicos em geral, uma distoro inferior a 1% aceitvel.

Como os sinais oriundos de um ECG so pequenos em amplitude e com componentes em

baixas frequncias (at dezenas de mili-hertz), o filtro projetado atende aos requisistos para

filtragem deste tipo de sinal.

Uma importante especificao do projeto foi a integrao do maior nmero possvel de

componentes. Neste caso, o desenvolvimento foi feito visando a integrao completa do filtro.

Isto traz algumas dificuldades, como a obteno de constantes de tempo muito altas sem gastar

uma quantidade inaceitvel de rea em silcio.

Assim, um valor razovel (dentro do comum para componentes integrados) para o capacitor

de acoplamento CC foi estabelecido. Assim, boa parte do trabalho fica com o controle dacondutncia vista no n de sada (VOUT). Esta mesma condutncia vista na fonte do seguidor

utilizado na realimentao (MF4). Ento, para obter a constante de tempo desejada, um valor

muito baixo de correntes de polarizao (IF1-2) se torna necessrio e, com esse baixo valor vem a

preocupao com as correntes de fuga, que podem afetar significativamente o valor da frequncia

de corte do filtro. O esquemtico detalhado do filtro, considerando as junes (correntes ILK1e

ILK2) e capacitncias parasitas (CP) mostrado na Figura 3.2.2 abaixo. Nela, as fontes de corrente

j esto representadas pelos transistores MF1-2.

Figura 3.2.2: Esquemtico detalhado do Filtro Passa-Altas.


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Projeto do Filtro

16

As fugas so representadas por uma juno, que basicamente a associao das junes PN

de fonte-substrato do seguidor (MF3) e dreno-substrato do transistor fonte-comum da fonte de

corrente (MF1). Portanto, o valor destas correntes parasitas (ILK1-2) so uma funo do permetro e

das reas de fonte e dreno dos transistores (consequentemente uma funo da tecnologia) e da

temperatura (a corrente em uma juno reversamente polarizada dependente da temperatura).

Ainda, pode ter um agravante nesta topologia proposta, que o descasamento entre os ramos de

seguidores, que leva a um offsetna tenso de modo-comum em relao tenso de referncia de

entrada VREF. A anlise deste descasamento ser mostrada no captulo de simulao do filtro.

A exata predio de valores para a corrente de fuga foi sempre controverso com relao

sua preciso. Muitos trabalhos foram feitos acerca do tema [17,18] e o mecanismo da formao

da corrente de fuga em uma juno reversamente polarizada pode ser encontrado em [18]. A fugaem uma nesta condio (e no prxima ao breakdown) pode ser derivada assumindo-se uma taxa

de gerao uniforme dentro da regio de depleo

d

SC

ij

leak xnqA

I

(3.1)

onde q a carga do eltron, Aj a rea de juno, ni a concentrao intrnseca de portadores, xd a largura da regio de depleo e SCtempo de vida de gerao no espao de carga. A variao

do tempo de vida de gerao no espao de carga mostrado em [18]. Para uma tenso reversa VR

aplicada a uma juno, obtemos

RbiA

s

d VqN

Kx 0

2 (3.2)

tal que a condutncia de fuga possa ser expressa como

RbiAs

SC

ij

IN

LEAKleak

VN

qKnA

V

Ig

1

2

0

(3.3)


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Projeto do Filtro

17

onde Ks a constante dieltrica do silcio, NA a concentrao de impurezas aceitadoras, 0 a

permissividade do vcuo, qa carga elementar do eltron, bi o potencial interno de juno que

vale cerca de 0.7V. Com esta equao possvel observar quais fatores influenciam na formao

da corrente de fuga, embora no possua uma boa preciso para determinao destas correntes.

Outra parasita mencionada, a capacitncia CP, a soma das capacitncias vistas no n VOUT

em relao ao terra. Isto inclui capacitncias das junes naquele n e capacitncia do prximo

estgio. Suas principais influncias so desvio da frequncia de corte do filtro (pode ser

desprezvel se o valor desta capacitncia for suficientemente baixo em relao ao valor de CC) e,

diminuio do ganho na banda passante, segundo a Equao 3.4.

PCC

iascapacitncSomente CC

CsH

(3.4)

As outras transcondutncias vistas no n de sada so respectivamente a de fonte gms e a

condutncia entre dreno e fonte do transistor fonte comum gds. Ento, considerando estas

componentes, o modelo de pequenos sinais do filtro passa-altas proposto fica como mostrado na

Figura 3.2.3 abaixo.

Figura 3.2.3: Modelo de pequenos sinais para clculo da freqncia de corte.

A partir do modelo de pequenos sinais, podemos extrair a funo de transferncia do filtro,

no domnios, segundo a Equao 3.5,


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Projeto do Filtro

18

PCleakdsms

C

CCsggg

sCsH

(3.5)

Com a funo de transferncia acima e desprezando-se o efeito das capacitncias parasitas,

que podem ser analizadas a parte, temos a equao aproximada da frequncia de corte do filtro,

apresentada a seguir.

C

ms

C

leakdsmsC

C

g

C

gggf

22

(3.6)

Para um transistor operando em inverso fraca, como so os transistores MF3-4neste projeto,

o uso de modelos compactos e que trabalhem bem nas vrias regies de operao do transistorMOS so comumente usados. Para clculo com estes transistores, usando o modelo compacto

desenvolvido em [19], a transcondutncia de fonte, em inverso fraca, pode ser dada por [20]

t

Fms

Ig

(3.7)

onde t a tenso trmica que igual a kT/q. IF a componente direta da corrente de dreno dotransistor, segundo o modelo compacto usado [19]. Quando em saturao a corrente de dreno

aproximadamente a componente direta da corrente, assim no circuito mostrado a corrente de

dreno do transistor MF3 aproximadamente igual a IF1. Com isto, usando a Equao 3.6 obtemos

C

F

Ct

FC

kTC

qI

C

If

22

11 (3.8)

que a equao para este filtro. Com isto nota-se uma propriedade importante desta topologia, que

tornar a frequncia de corte invariante com a temperatura fazendo-se de IF1uma corrente PTAT.

3.2.1 Filtro Passa-Altas de Ordem-N


36/81

Projeto do Filtro

19

Com pequena alterao no circuito do filtro passa-altas possvel construir um filtro de

ordem-N, como mostrado na Figura 3.2.4, a seguir. Para se adicionar uma ordem ao filtro,

necessrio passar o sinal por um capacitor de mesmo valor que o capacitor de acoplamento de

entrada CC, sendo este sinal agora retirado em um ramo de sada idntico ao primeiro ramo de

sada do filtro.

Entrento, alguns cuidados devem ser tomados no desenvolvimento de um filtro de ordem

superior. Entre os cuidados esto a utilizao de um seguidor entre os estgios do filtro. Este

seguidor ajuda a reduzir o valor da capacitncia parasita apresentada sada de cada estgio.

Parasita esta que contribui para reduo do ganho na banda passante e afeta o comportamento do

filtro em frequncias superiores frequncia de corte. Outro cuidado a ser tomado com relao

ao valor da fonte de corrente usada no ramo de referncia, que neste caso deve ter o valor de NI F,

onde N a ordem do filtro.

Figura 3.2.4: Esquema do filtro passa-altas de ordem-N.

3.3 Referncia de Corrente PTAT de Ultra-Baixa Potncia

De forma a gerar a tenso interna de referncia VREF e a corrente PTAT necessrias para

operao do filtro, um circuito de referncia de baixa potncia foi implementado, baseado nos

circuitos projetados em [21, 22]. O esquemtico mostrado na Figura 3.3.1 a estrutura bsica da

fonte de corrente de baixa potncia.


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Projeto do Filtro

20

Figura 3.3.1: Esquemtico simplificado da fonte de corrente de baixa potncia.

Este circuito segue basicamente o modelo tradicional de fontes de corrente baseados em

VGS/R, com uma topologia conhecida como uma mistura self-cascode e espelho de corrente

seguidor de tenso, otimizados para operao com baixa tenso e baixa corrente. Porm, neste

caso o resistor substituido por um transistor MOS operando em triodo. Tambm, ao invs de

espelharmos uma corrente maior em um ramo, fazemos com que o transistor com menor V GS

possua uma rea maior. O desenvolvimento deste circuito detalhado em [22], utilizando-se do

modelo compacto e as definies do nvel de inverso do canal definidos em [19]. Ainda, devido

ao circuito ter de operar com tenses muito baixas, o projeto foi feito com transistores em

inverso fraca. Excesso feita aos transistores MB1-2, que operam em inverso moderada, onde

MB2est em triodo e MB1em saturao. Transistores operando em regio moderada possuem um

casamento melhor que transistores em regio de inverso fraca. Assim, uma vez possvel, foi

preferida a operao doself-cascodeem inverso moderada.Os transistores MM1-3 so espelhos de corrente operando em inverso fraca, com ganho

unitrio. J os transistores MA1-2so espelhos de corrente seguidores de tenso, com um ganho

na razo de aspecto. Com essa diferena de rea e a mesma corrente pelos dois transistores, surge

uma tenso que aparece no dreno do transistor operando em triodo. Assim, a combinao da


38/81

Projeto do Filtro

21

resistncia vista no transistor em triodo e da tenso que aparece no fonte de M A1, ajudam na

composio da corrente IREF, que possui caractersticas PTAT.

O circuito completo da referncia aparece na Figura 3.3.2, juntamente com o circuito de

start-up. Nesta figura os transistoresself-cascodeforam divididos cada em dois de igual tamanho,

de modo a formar no layoutum cross-quad(quatro elementos cruzados, formando um quadrado).

Este tipo de topologia (mostrado no Anexo 2) possui uma maior robustez variaes de processo

e temperatura do que um layout simples, apenas com transistores lado-a-lado. Outra mudana

com relao ao circuito simplificado a introduo de transistores cascodeMC1-2nos espelhos

seguidores de tenso. Esta alterao aumenta a rejeio da fonte de corrente em relao

alimentao. Adicionalmente, possibilita obter a tenso de referncia PTAT VREFusada no Filtro

1 com valor maior que o valor da tenso VPTAT, o que simplifica o projeto do OP-AMP usado no

filtro, aumentando o modo-comum para o projeto do par diferencial de entrada.

O valor da corrente pode ento ser determindada pelo ganho e pelo dimensionamento dos

transistores self-cascode MB1-4, levando-se em considerao a regio e nvel de inverso dos

transistores, para obtenso do nvel de corrente desejado. Para a referncia de corrente projetada,

o valor objetivado foi de 10nA.

Agora, de forma a auxiliar a inicializao da fonte de corrente, principalmente em baixas

temperaturas, um circuito de start-up se faz necessrio. Os transistores MS1-2 e o capacitor C1,

compem este circuito. Inicialmente (sem VDD), a tenso do dreno do transistor MS1 aproximadamente zero, devido fuga no diodo reverso formado pela rea de dreno e o substrato.

O gate deste transistor ligado polarizao dos espelhos seguidores de tenso VNBIAS. Assim,

antes da subida da alimentao VDD, ambos os transistores MS1-2esto cortados e a tenso em C1

zero. Com a subida da alimentao (com um valor no muito baixo de V/t), o acoplamento

dado por C1faz com que a tenso do gate de MS2suba momentneamente, drenando corrente do

transistor conectado como diodo MM1. Isto faz com que uma corrente inicial circule no circuito,

que tende a manter esta circulao, saindo de sua condio de estabilizao com corrente zero.

Quando a tenso VNBIASatinge um valor suficiente para ativar MS1, este leva a tenso do gate de

MS2para zero, cortando a corrente atravs do mesmo. Assim, o circuito de referncia iniciado

com nenhum consumo por parte do circuito destart-up.


39/81

Projeto do Filtro

22

Figura 3.3.2: Esquemtico detalhado da fonte de corrente de baixa potncia.

3.4 Divisor de Corrente de Bult

Como o valor da corrente de referncia PTAT IREF implementada vale cerca de 10nA e o

valor da corrente necessria para a entrada do filtro passa-altas desejada cerda de mil vezes

menor, um divisor de corrente necessrio. O divisor comumente utilizado em corrente muito

baixas (da ordem de nA at fA) o divisor de Bult [23], mostrado na Figura 3.4.1. Este

possibilita a utilizao de um nmero menor de transistores, enquanto mantendo-os casados, para

divises de corrente muito altas, embora ainda limite o modo comum na sada do espelho devido

ao empilhamento de transistores. Este mesmo divisor usado em [24] como um divisor de

corrente binrio. Porm, para esta aplicao foi importante manter um bom casamento s duas

sadas e assim utilizar transistors com tamanhos idnticos ao dois ltimos, que so as fontes de

corrente do filtro passa-altas.


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Projeto do Filtro

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Figura 3.4.1: Esquemtico do Divisor de Bult para o Filtro 1.

O divisor do primeiro filtro foi projetado com o nmero de ramos necessrio para ter uma

atenuao de 60dB, enquanto o segundo divisor (do segundo filtro) uma atenuao de cerca de

80dB. A atenuao deste ltimo permite obter frequncias de corte mais baixas para uma mesma

corrente de entrada, o que facilita a medida de variao da frequncia de corte em funo desta

corrente de referncia utilizada.

3.5 OP-AMP de Baixa Potncia

De forma a polarizar os seguidores do filtro passa-altas (carga capacitiva), um OP-AMP de

baixa-potncia e capaz de operar em baixas tenses (0,9V-1,6V) foi projetado. Na Figura 3.5.1

est o esquemtico completo do circuito, que baseado no transcondutor de baixa tensoapresentado em [25], porm sem a entrada em triodo. Para adaptar o projeto para tenses mais

baixas e com corrente de polarizao PTAT (IREF) por volta de 10nA, tambm a polarizao dos

transistores do mesmo foi feita em inverso fraca.

Os espelhos de corrente simples usados na polarizao possuem associao em srie de

forma a possibilitar ganho ou atenuao, mantendo um bom casamento no layout. A corrente de

tail do par-diferencial possui espelhamento simples por no precisar de muita preciso. J os

espelhos para a carga do par-diferencial so cascode, com polarizao high-swing (M13-16). Isto

possibilita uma maior impedncia de sada para as fontes de corrente, melhorando o ganho do

OP-AMP, assim como utilizao de menos tenso para polarizao. O ajuste para a polarizao

do cascodeneste tipo de espelhamento diferente em inverso fraca do que o seu equivalente em

inverso forte, requerindo uma razo de aspecto bem maior do circuito que a polariza,

dependendo tambm da relao entre as correntes do ramo de polarizao e o cascodeem si.


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Projeto do Filtro

24

Figura 3.5.1: Esquemtico do OP-AMP de Baixa Potncia.

Uma caracterstica deste circuito deve ser o alto ganho em malha aberta, uma vez que a

tenso de offsetquando em configurao seguidora aparecer adicionada diretamente como offset

do modo-comum do filtro passa-altas. Outra diferena deste OP-AMP um aumento no ganho de

tenso dado pelos transistores gate-comum (M3-4) que se apresentam sada do par-diferencial.Quando operando com baixas tenses de modo-comum (250mV) o cascadepode entrar na regio

triodo, dependendo do processo, reduzindo o ganho. No entando, o projeto feito para manter o

ganho com um valor mnimo em todo modo-comum de operao. Por fim, apenas uma

compensao simples necessria para atenuar o ganho em frequncias mais altas

implementada atravs de CM.

3.6 Seguidor de Sada

Como o n de sada do filtro passa-altas no tem capacidade de suprir corrente para a sada

de um chip(sua corrente na faixa de dezenas de pA), tornou-se necessrio o desenvolvimento

de um circuito seguidor de tenso (seguidor), para visualizar a sada do filtro quando em teste.


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Projeto do Filtro

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Uma vez que o desenvolvimento do mesmo tem como nico objetivo auxiliar nos testes do filtro,

este foi projetado com uma maior tenso de polarizao (1.8V) e sem restrio na polarizao em

corrente. Isto facilita o projeto, que precisa alimentar cargas maiores, como uma entrada de

osciloscpio ou de um analizador de rede (network-analyzer). Assim, tanto a polarizao em

corrente IBIAS(1A), como a alimentao em tenso so fornecidas parte do filtro, no chip, no

influenciando em nenhuma medida de consumo do filtro projetado.

O circuito seguidor de tenso (Seguidor de Sada) projetado apresentado na Figura 3.6.1, a

seguir. Ele compreende basicamente um circuito transcondutor feito com par-diferencial e cargas

equilibradas para o primeiro estgio e um inversor-comum no segundo estgio.

Figura 3.6.1: Esquemtico do Seguidor de Sada.

Como peculiaridades, este circuito possui transistores operando em inverso forte, com

exceo dos seguidores M20, M22e do inversor de sada M21. O transistor M21foi escolhido estar

em inverso fraca para melhorar a faixa dinmica do seguidor de sada, para poder operar com

modo-comum mais baixo (cerca de 100mV). J M20 e M22 esto neste nvel de inverso pormelhorar a polarizao DC do transcondutor. Outra tcnica utilizada foi a realimentao de

tenso feita com o dreno-comum M22usado na compensao Miller. Com a realimentao feita

atravs deste transistor o sinal de sada usado na compensao, porm sem a componente de

feed-forward, presente na compensao simples, com capacitor somente, permitindo assim o uso

de um capacitor CMmenor.


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Projeto do Filtro

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A carga usada para o projeto do seguidor de sada foi de capacitncia C Lvariando de 10pF

50pF e RL de 1M at 1G, que atende uma faixa prtica para utilizao de uma ponta de

osciloscpio, como intensionado.


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Resultados de Simulao

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Captulo 4


Nesta seo so mostrados os resultados tpicos de simulao dos blocos projetados para o

sistema do filtro passa-altas. Uma vez que a maioria dos blocos integrantes do sistema operam

com correntes bem baixas, preferiu-se utlizar um simulador muito usado para projeto de circuito

de baixa potncia: o SMASH [26]. Este mostrou-se uma ferramenta verstil para este tipo de

circuito, sendo que convergiu em praticamente todas as simulaes quando comparado a

ferramentas como PSPICE (usada somente para anlise de rudo). Ainda, o layout foi feito

usando-se a ferramenta CADENCE VIRTUOSO. E, devido s baixas frequncias envolvidas no

projeto, simulaespost-layoutno foram necessrias.

As simulaes foram feitas usando o modelo Bsim3v3 para SMASH, abrangindo

Transiente, Anlises DC e AC juntamente com variaes de processo, temperatura e polarizao.

Os modelos usados foram da tecnologia CMOS 0,35m da AMS. A seguir, os resultados de cada

bloco so mostrados em sees distintas.

4.1 Referncia de Corrente PTAT

Entre suas principais caractersticas, a fonte de corrente de referncia deve exibir uma

corrente PTAT, com valor tpico de cerca de 10nA 27C. Esta tem por objetivo polarizar o OP-

AMP usado no filtro passa-altas assim como polarizar seu ramo de entrada. Outro importante

parmetro seu valor em estado estacionrio, que deve ser atingido em toda a faixa de

polarizao de tenso. Desta forma, a anlise DC apresentada na Figura 4.1.1 mostra que o

circuito projetado capaz de operar com tenses de alimentao VDD de 0,9V para todas as

variaes de processo, em temperatura ambiente. possvel tambm notar que o valor da

corrente pode variar at 30% em processo. Por esta anlise tambm podemos visualizar a

sensibilidade das referncias em relao a variao de VDD, o que se mostrou satisfatrio para a


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aplicao. Enfim, o valor tpico da corrente IPTAT foi de 10nA. Simulaes realizadas tambm

para a tenso da referncia VREFresultou em 225mV tpico.

Figura 4.1.1: Anlise DC da (a) corrente IREF(ID) e (b) tenso VREF(VREFP) de referncias, com

variao de processo a 27C.

Apesar de na aplicao primria, que a captura de sinais de ECG, no haver a necessidade dese ter robustez em uma grande faixa de temperatura, principalmente para sistemas implantveis, a

caracterizao da referncia e filtros em temperatura se faz necessria, de forma a expandir a

cobertura para outras aplicaes. Com isto, na Figura 4.1.2 exibido o comportamento das

referncias em funo da temperatura, na faixa de 0C a 100C. Como pode ser notado, apesar de

pequena, h uma diferena entre os valores das referncias para alimentaes de 0,9V e 1,6V que

so os extremos de funcionamento. Esta diferena cai consideravelmente quando considerado

uma faixa de valores (1,2V 1,6V) em torno do valor tpico de alimentao, que 1,5V.

Finalmente, o comportamento PTAT pode ser verificado para ambas as referncias.


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Figura 4.1.2: Anlise em temperatura da corrente IREFe tenso VREFde referncias, para processo

tpico e com extremos de valores de alimentao.

4.2 OP-AMP

Dentre as vrias simulaes necessrias para o projeto do OP-AMP, com as diferentes

especificaes, tiveram boa parte de seus resultados validados atravs de um conjunto desimulaes AC. A principal funo do OP-AMP no filtro estabelecer um ponto quiescente de

modo a impr uma tenso de modo comum desejada sada do mesmo. Outras caractersticas

como consumo quiescente foram validadas por simulao DC. Seu consumo tpico (que funo

do valor de IPTAT) , validado por simulao, foi de cerca de 90nA @ 27C.


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De forma a validar algumas caractersticas, segue na Figura 4.2.1 abaixo os resultados de

uma simulao feita com variao de processo, temperatura (0C, 27C e 100C), valores de

polarizao e modo comum de entrada (150mV 400mV), as chamadas simulaes PVT (do

ingls Process, Voltage and Temperature). Como a carga do mesmo puramente capacitiva,

considerou-se uma carga de at 50fF (equivalente entrada do prximo estgio). Valores tpicos

obtidos esto sumarizados na Tabela 4.2.1, para 1,5V de alimentao. A faixa de valores

resultantes da simulao PVT (exceto fc) so apresentadas na Tabela 4.2.2. Como pode ser

observado, os resultados esto dentro do esperado para o OP-AMP, para sua funo dentro do

sistema do filtro, apresentando baixo consumo, alto ganho DC e funcionamento em toda a faixa

de polarizao especificada.

Figura 4.2.1: Curvas de Bode para o OP-AMP, com variao de processo, temperatura e

polarizao.

Tabela 4.2.1: Valores tpicos da simulao AC do OP-AMP.

Caracterstica Valor

Ganho DC 84,7 dB

Frequncia de Corte (fc) 3,3 Hz

GBW 49,17 kHz

Margem de Fase 53


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Tabela 4.2.2: Valores da simulao AC do OP-AMP, considerando variaes PVT.

Caracterstica Faixa de Valores

Ganho DC 58,9 dB - 85,5 dB

GBW 11,52 kHz - 49,7 kHz

Margem de Fase > 45

4.3 Seguidor

O projeto do OP-AMP usado como seguidor, diferentemente do usado na polarizao dofiltro, tem como objetivo apenas auxiliar nos testes, assim seu consumo no foi um requisito de

projeto. Operando com 1,8V de VDD, seu consumo tpico foi de 9,6A. Com isto foi possvel seu

desenvolvimento com uma banda maior (valores de GBW ao menos uma dcada acima do OP-

AMP usado no filtro) e com capacidade para uma carga tpica de ponta de osciloscpio ou

instrumento equivalente, como analizadores de parmetro.

Considerando modo-comuns de 0,15V e 0,5V, simulaes PVT das Curvas de Bode foram

feitas. Em todos os casos, o seguidor se mostrou estvel. O resultados destas simulaes podem

ser encontrados na Figura 4.3.1 para 0,15V de modo-comum e para 0,5V na Figura 4.3.2. Os

valores tpicos esto na Tabela 4.3.1 e a faixa de valores para simulao PVT resumidas na

Tabela 4.3.2.


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Tabela 4.3.1: Valores tpicos da simulao AC do seguidor, com carga de 50pF e 10M.

Caracterstica Valor [0,15V modo comum] Valor [0,5V modo comum]

Ganho DC 97,3 dB 105 dB

Frequncia de Corte (fc) 20,8 Hz 8,51 Hz

GBW 519,6 kHz 519 kHz

Margem de Fase 35,7 35,4

Tabela 4.3.2: Valores da simulao AC do Seguidor (PVT).

Caracterstica Valor [0,15V modo comum] Valor [0,5V modo comum]

Ganho DC 83,2 dB - 97,6 dB 98,8 dB - 106 dB

GBW 170 kHz - 602 kHz 410,3 kHz - 597,4 kHz

Margem de Fase > 33,8 > 30,4

4.4 Filtros

Com os componentes do sistema projetados, a etapa final consiste nas simulaes de topo

necessrias para a validao do mesmo. Nesta etapa, que envolve a simulao do topo do sistema,no crtica a simulao PVT da performance do sistema, porm um conjunto de simulaes que

englobem todos os parmetros crticos para o filtro, assim como comportamento em temperatura

so desejados.

Os dois filtros so analisados de forma independente, para mostrar o comportamento do

sistema completo (Filtro 1) e o comportamento do filtro frente diferentes valores para variveis

especficas, como corrente de entrada (Filtro 2).

4.4.1 Anlise AC e Rudo do Filtro

A Curva de Bode o parmetro do filtro mais importante analisado, por mostrar seu

comportamento em frequncia. Simulaes de processo tpico, com diversas temperaturas (0C,


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27C e 100C) so mostradas na Figura 4.4.1 para o Filtro 1 e para o Filtro 2 na Figura 4.4.2. As

variveis na figura onde aparecem VBD referem-se ao ganho e VP fase.




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No caso do Filtro 1, que o sistema completo projetado para operar com a fonte de

corrente, nota-se a compensao em temperatura existente no filtro. Nenhuma variao

significante pde ser observada, o que valida em simulao a compensao da frequncia de corte

fcusando uma corrente PTAT. O ganho na banda passante para estes casos ficou em -2,9mdB e a

frequncia de corte em torno de 5,247Hz.

A figura para o caso do Filtro 2 similar ao primeiro filtro. Aqui porm a entrada de

corrente para o filtro (via Divisor de Bult), a corrente PTAT, entretanto esta foi projetada para

ter um valor igual ao dobro do usado no Filtro 1. Note, entretanto, que o valor do divisor para o

segundo filtro maior: 80dB. Assim, uma frequncia de corte de valor ainda menor pde ser

facilmente obtida. Neste caso ficou com fc de 0,818Hz e um ganho na banda passante de -

4,7mdB. Todavia, um caso chama a ateno: a resposta do filtro para a temperatura de 100C. A

fcpara este caso ficou em pouco mais de 2Hz. Isto ocorreu devido equiparao das correntes noramo de entrada do filtro (IF1) com as fugas existentes neste mesmo ramo. Ambas neste caso

esto na ordem de alguns poucos pA. E, como mostra a Equao 3.6,fc= (gms+ gds+ gleak)/2CC,

um aumento da corrente de fuga acarreta em um aumento do valor da frequncia de corte. Isto

demonstra claramente uma limitao, de base tecnolgica, para o valor mnimo da fc desta

topologia do filtro. Obviamente, como o valor da corrente de fuga dobra a cada aumento de cerca

de 10C [27], com uma aplicao implantvel, pode se conseguir fc muito menores que a

mostrada.Para determinar o valor mnimo operacional do sinal de entrada do filtro, faz-se necessrio

conhecer o valor do rudo introduzido pelo circuito, referenciado entrada. Abaixo na Figura

4.4.3 encontra-se a simulao de rudo, feita com o bloco principal do filtro passa-altas,

mostrando o rudo presente no circuito. Na simulao, com resultado em funo frequncia,

temos o tenso de rudo (V/Hz) no n de sada do filtro, a densidade de rudo (V2/Hz) presente

sada, a tenso de rudo referenciada entrada e finalmente a densidade de rudo referenciada

entrada, respectivamente. O valor da tenso de rudo RMS mdia, referenciado entrada, Vn,

ficou em torno de 71V. As simulaes neste caso foram feitas usando-se o simulador PSPICE,

com modelos Bsim3v3.


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Figura 4.4.3: Anlise de Rudo do filtro, em condies tpicas e VDDde 1,5V.

4.4.2 Anlise DC e Transiente do Filtro

Aps passar pelo filtro, o sinal pode ECG der ser processado analogicamente ou atravs de

algum processador digital. Em ambos os casos, a comparao deste sinal com uma referncia ser

necessria, seja para ps-processamento analgico ou converso analgico-digital. Assim, o offset

do circuito deve ser levado em considerao. Na Figura 4.4.4 mostrado o offsetdo filtro com

descasamento nos seguidores de tenso e nas fontes de corrente, respectivamente. Em ambas so

mostradas as condies sem descasamento, com +10% e com -10% sobre a razo de aspecto dos

transistores, com uma tenso VDDnominal (1,5V). Esta condio de descasamento de 10% reflete

com bastante confiana um descasamento que pode ocorrer tipicamente para transistores MOS

casados no layout. Como resultado, um offset de at 5mV possvel entre a referncia e o modo-comum do sinal de sada do filtro.

Este tipo de descasamento comum em muitos sistemas analgicos. Existem, entretanto,

diversas tcnicas para sobrepor este problema. Dentre elas, o trimming neste caso o mais

adequado a se implementar, uma vez que sistemas chaveados, como no caso de capacitores


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chaveados, alm de consumir mais corrente, podem introduzir rudo ao sinal de baixa tenso e

amplitude do filtro. Assim, uma palavra digital, armazenada em mmoria, pode vir a servir como

entrada para o controle, por exemplo, das fontes de corrente do filtro, fazendo um ajuste na tenso

de offsete reduzindo-a a valores aceitveis, sem prejudicar significativamente a fcdo filtro.

Figura 4.4.4: Offsetdo filtro, com descasamento nos (a) seguidores e nas (b) fontes de corrente.

Para testar o filtro, um sinal senoidal foi aplicado ao mesmo, com uma frequncia bem

prxima a frequncia de corte de cada filtro, sendo o valor aplicado de 10mVpp, que prximo

do mximo permitido pelo circuito de forma a evitar distores que degradem o sinal aplicado ao

filtro. Assim, um sinal de 5,25Hz foi aplicado ao Filtro 1, mostrado abaixo na Figura 4.4.5. Como

resposta na sada do filtro VOUT e do seguidor deste filtro VOBUF, temos uma tenso bem

prxima de 10mVpp/2, validando esta frequncia como sendo a frequncia de -3dB do Filtro 1.

O modo-comum neste caso o valor de VREF, da fonte de referncia de corrente. Vale ressaltar


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que as simulaes mostradas foram feitas em um caso extremo de alimentao (0,9V), entretanto

outros valores foram simulados para completar a validao.

Outro ponto a se notar o baixo offset sistemtico, entre os sinais de sada do filtro e do

seguidor. Este valor, observado em simulao, de algumas dezenas de V. Analogamente, para

o Filtro 2, foi colocado um sinal de mesma amplitude e frequncia de 0,82Hz, que prxima do

valor da frequncia de corte do mesmo. O resultado apresentado na Figura 4.4.6 abaixo. Como

nota-se, o resultado, em sub-hertz, foi semelhante ao obtido pelo Filtro 1, comprovando os

resultados da simulao AC realizada.


entrada, 0,9V VDDe VREFcomo modo-comum.


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entrada, 0,9V VDDe 0,4V como modo-comum.

Como a aplicao primria para o filtro para sinais de ECG, torna-se necessria uma

validao que inclua o sinal. Para emular os sinais de ECG, um padro internacional utilizado

[28], simples de ser reproduzido em simulao e simulado em laboratrio. Este padro,

basicamente, uma onda triangular com amplitude variando de 0,2mV at 3,2mV para o canalatrial e de 0,4mV at 6,4mV para o canal ventricular [29]. O tempo de subida de 2ms e o tempo

de descida de 13ms.

Para testar este padro no filtro desenvolvido, foi usado o Filtro 2, que possui uma

frequncia de corte padro para ECG, em sub-hertz. Primeiramente, um sinal de 0,2mVpp (menor

amplitude) foi aplicado na entrada, VINPUT, e os sinais na sada do filtro, VOUT_B, e na sada

do seguidor, VOBUF_B, foram observados. O resultado mostrado na Figura 4.4.7 abaixo. O

sinal de sada do filtro segue o sinal de entrada, como esperado, a menos do offsetdo filtro, que

cerca de 50V. O sinal equivalente de alta amplitude, 6,4mVpp, foi tambm aplicado e o

resultado, mostrando a capacidade do filtro em lidar com estes sinais, consta na Figura 4.4.8.

Distoro no sinal um fator crtico em filtros, e para avali-la no circuito projetado, uma

simulao, com sinal senoidal aplicado de 50Hz, foi feita em condies tpicas. Como resultado,

com at dez harmnicas consideradas, a distoro harmnica total THD (Total Harmonic


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Distortion) foi de 0,29%. Para efeito comparativo, em sinais de udio, um THD < 1%

considerado aceitvel para um som de alta-fidelidade [30].

Figura 4.4.7: Sadas do filtro e seguidor do Filtro 2, com o padro ECG (CENELEC) de baixa


Figura 4.4.8: Sadas do filtro e seguidor do Filtro 2, com o padro ECG (CENELEC) de alta



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Resultados Experimentais

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Captulo 5


Nesta seo so apresentados e discutidos os resultados de caracterizao do sistema de

filtros passa-altas, fabricando usando tecnologia AMS CMOS 0,35 m. A seguir, a

microfotografia do chipfabricado, com indicaes de cada bloco componente do sistema.


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Figura 5.1: Microfotografia do chip, sendo: 1. Referncia de Corrente, 2. Divisores de Bult,

3. OP-AMP, 4. Seguidor de Sada, 5. Capacitor de Entrada CCe 6. MOS para Teste de Corrente

de Fuga.

Para polarizao do circuito e te

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