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.
Figura 4.3.2: Anlise AC, com simulao PVT do Seguidor, com modo comum de 0,5V, cargas
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.
Figura 4.4.6: Sadas do filtro e seguidor do Filtro 2, com uma senide de 0,82Hz aplicada
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
amplitude aplicado entrada, 0,9V VDD.
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
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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
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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.
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Topologias Atuais e Comparaes
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Captulo 2
Topologias Atuais e Comparaes
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
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Topologias Atuais e Comparaes
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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].
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Topologias Atuais e Comparaes
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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,
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Topologias Atuais e Comparaes
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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.
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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
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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.
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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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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
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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
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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
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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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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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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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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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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
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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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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
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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.
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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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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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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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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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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
Resultados de Simulao
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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Resultados de Simulao
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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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Resultados de Simulao
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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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Figura 4.3.1: Anlise AC, com simulao PVT do Seguidor, com modo comum de 0,15V, cargas
variando de 50fF - 50pF e 1M100M.
Figura 4.3.2: Anlise AC, com simulao PVT do Seguidor, com modo comum de 0,5V, cargas
variando de 50fF - 50pF e 1M100M.
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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.
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.
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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.
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.
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Figura 4.4.6: Sadas do filtro e seguidor do Filtro 2, com uma senide de 0,82Hz aplicada
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
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
amplitude aplicado entrada, 0,9V VDD.
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Captulo 5
Resultados Experimentais
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