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