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0.3-Volt Rail-to-Rail DDTA and Its Application in a Universal Filter and Quadrature Oscillator
This paper presents the extremely low-voltage supply of the CMOS structure of a differential difference transconductance amplifier (DDTA). With a 0.3-volt supply voltage, the circuit offers rail-to-rail operational capability. The circuit is designed for low-frequency biomedical and sensor applications, and it consumes 357.4 nW of power. Based on two DDTAs and two grounded capacitors, a voltage-mode universal filter and quadrature oscillator are presented as applications. The universal filter possesses high-input impedance and electronic tuning ability of the natural frequency in the range of tens up to hundreds of Hz. The total harmonic distortion (THD) for the band-pass filter was 0.5% for 100 mV(pp) @ 84.47 Hz input voltage. The slight modification of the filter yields a quadrature oscillator. The condition and the frequency of oscillation are orthogonally controllable. The frequency of oscillation can also be controlled electronically. The THD for a 67 Hz oscillation frequency was around 1.2%. The circuit is designed and simulated in a Cadence environment using 130 nm CMOS technology from United Microelectronics Corporation (UMC). The simulation results confirm the performance of the designed circuits
0.5 V, nW-Range Universal Filter Based on Multiple-Input Transconductor for Biosignals Processing
This paper demonstrates the advantages of the multiple-input transconductor (MI-G(m)) in filter application, in terms of topology simplification, increasing filter functions, and minimizing the count of needed active blocks and their consumed power. Further, the filter enjoys high input impedance, uses three MI-G(m)s and two grounded capacitors, and it offers both inverting and non-inverting versions of low-pass (LPF), high-pass (HPF), band-pass (BPF), band-stop (BS) and all-pass (AP) functions. The filter operates under a supply voltage of 0.5 V and consumes 37 nW, hence it is suitable for extremely low-voltage low-power applications like biosignals processing. The circuit was designed in a Cadence environment using 180 nm CMOS technology from Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). The post-layout simulation results, including Monte Carlo and process, voltage, temperature (PVT) corners for the proposed filter correlate well with the theoretical results that confirm attractive features of the developed filter based on MI-G(m)
Inductance Simulators and Their Application to the 4th Order Elliptic Lowpass Ladder Filter Using CMOS VD-DIBAs
This paper presents inductance simulators using the voltage differencing differential input buffered amplifier (VD-DIBA) as an active building block. Three types of inductance simulators, including floating lossless inductance, series inductance-resistance, and parallel inductance-resistance simulators, are proposed, in addition to their application to the 4th order elliptic lowpass ladder filter. The simple design procedures of these inductance simulators using a circuit block diagram are also given. The proposed inductance simulators employ two VD-DIBAs and two passive elements. The complementary metal oxide semiconductor (CMOS) VD-DIBA used in this design utilizes the multiple-input metal oxide semiconductor (MOS) transistor technique in order to achieve a compact and simple structure with a minimum count of transistors. Thanks to this technique, the VD-DIBA offers high performances compared to the other CMOS structures presented in the literature. The CMOS VD-DIBAs and their applications are designed and simulated in the Cadence environment using a 0.18 mu m CMOS process from Taiwan semiconductor manufacturing company (TSMC). Using a supply voltage of +/- 0.9 V, the linear operation of VD-DIBA is obtained over a differential input range of -0.5 V to 0.5 V. The lowpass (LP) ladder filter realized with the proposed inductance simulators shows a dynamic range (DR) of 80 dB for a total harmonic distortion (THD) of 2% at 1 kHz and a 1.8 V peak-to-peak output. In addition, the experimental results of the floating inductance simulators and their applications are obtained by using VD-DIBA constructed from the available commercial components LM13700 and AD830. The simulation results are in agreement with the experimental ones, confirming the advantages of the inductance simulators and their application
Subthreshold design of ultra low-power analog modules
Il consumo di potenza rappresenta l’indicatore chiave delle performance di recenti applicazioni portatili, come dispositivi medici impiantabili o tag RFID passivi, allo scopo di aumentare, rispettivamente, i tempi di funzionamento o i range operativi. La riduzione della tensione di alimentazione si è dimostrata l’approccio migliore per ridurre il consumo di potenza dei sistemi digitali integrati. Al fine di tenere il passo con la riduzione delle tensioni di alimentazione, anche le sezioni analogiche dei sistemi mixed signal devono essere in grado di funzionare con livelli di tensione molto bassi. Di conseguenza, sono richieste nuove metodologie di progettazione analogica e configurazioni circuitali innovative in grado di lavorare con tensioni di alimentazioni bassissime, dissipando una potenza estremamente bassa. Il regime di funzionamento sottosoglia consente di ridurre notevolmente le tensioni applicabili ai dispositivi ed si contraddistingue per i livelli di corrente molto bassi, rispetto al ben noto funzionamento in forte inversione. Queste due caratteristiche sono state sfruttate nella realizzazione di moduli analogici di base ultra low voltage, low power.
Tre nuove architetture di riferimenti di tensione, che lavorano con tutti i transistor polarizzati in regime sottosoglia, sono stati fabbricati in tecnologia CMOS 0.18 μm. I tre circuiti si basano sullo stesso principio di funzionamento per compensare gli effetti della variazione della temperatura sulla tensione di riferimento generata. Tramite il principio di funzionamento proposto, la tensione di riferimento può essere approssimata con la differenza delle tensioni di soglia, a temperatura ambiente, dei transistor. Misure sperimentali sono state effettuate su set con più di 30 campioni per ogni configurazione circuitale. Una dettagliata analisi statistica ha dimostrato un consumo medio di potenza che va da pochi nano watt a poche decine di nano watt, mentre la minima tensione di alimentazione, raggiunta da una delle tre configurazioni, è di soli 0.45 V. Le tensioni di riferimento generate sono molto precise rispetto alle variazioni della temperatura e della tensione di alimentazione, infatti sono stati ottenuti coefficienti di temperatura e line sensitivity medi a partire rispettivamente da 165 ppm/°C e 0.065 %/V.
Inoltre, è stata trattata anche la progettazione di amplificatori ultra low voltage, low power. Sono state illustrate linee guida dettagliate per la progettazione di amplificatori sottosoglia e le stesse sono state applicate per la realizzazione di un amplificatore a due stadi, con compensazione di Miller, funzionante con una tensione di alimentazione di 0.5 V. I risultati sperimentali dell’op amp proposto, fabbricato in tecnologia CMOS 0.18 μm, hanno mostrato un guadagno DC ad anello aperto di 70 dB, un prodotto banda guadagno di 18 kHz ed un consumo di potenza di soli 75 nW. I risultati delle misure sperimentali dimostrano che gli amplificatori operazionali in sottosoglia rappresentano una soluzione molto interessante nella realizzazione di applicazioni efficienti in termini energetici per gli attuali sistemi elettronici portatili. Dal confronto con amplificatori ultra low power, low voltage presenti in letteratura, si evince che la soluzione proposta offre un miglior compromesso tra velocità, potenza dissipata e capacità di carico
CMOS Design of Reconfigurable SoC Systems for Impedance Sensor Devices
La rápida evolución en el campo de los sensores inteligentes, junto con los avances en las tecnologías de la computación y la comunicación, está revolucionando la forma en que recopilamos y analizamos datos del mundo físico para tomar decisiones, facilitando nuevas soluciones que desempeñan tareas que antes eran inconcebibles de lograr.La inclusión en un mismo dado de silicio de todos los elementos necesarios para un proceso de monitorización y actuación ha sido posible gracias a los avances en micro (y nano) electrónica. Al mismo tiempo, la evolución de las tecnologías de procesamiento y micromecanizado de superficies de silicio y otros materiales complementarios ha dado lugar al desarrollo de sensores integrados compatibles con CMOS, lo que permite la implementación de matrices de sensores de alta densidad. Así, la combinación de un sistema de adquisición basado en sensores on-Chip, junto con un microprocesador como núcleo digital donde se puede ejecutar la digitalización de señales, el procesamiento y la comunicación de datos proporciona características adicionales como reducción del coste, compacidad, portabilidad, alimentación por batería, facilidad de uso e intercambio inteligente de datos, aumentando su potencial número de aplicaciones.Esta tesis pretende profundizar en el diseño de un sistema portátil de medición de espectroscopía de impedancia de baja potencia operado por batería, basado en tecnologías microelectrónicas CMOS, que pueda integrarse con el sensor, proporcionando una implementación paralelizable sin incrementar significativamente el tamaño o el consumo, pero manteniendo las principales características de fiabilidad y sensibilidad de un instrumento de laboratorio. Esto requiere el diseño tanto de la etapa de gestión de la energía como de las diferentes celdas que conforman la interfaz, que habrán de satisfacer los requisitos de un alto rendimiento a la par que las exigentes restricciones de tamaño mínimo y bajo consumo requeridas en la monitorización portátil, características que son aún más críticas al considerar la tendencia actual hacia matrices de sensores.A nivel de celdas, se proponen diferentes circuitos en un proceso CMOS de 180 nm: un regulador de baja caída de voltaje como unidad de gestión de energía, que proporciona una alimentación de 1.8 V estable, de bajo ruido, precisa e independiente de la carga para todo el sistema; amplificadores de instrumentación con una aproximación completamente diferencial, que incluyen una etapa de entrada de voltaje/corriente configurable, ganancia programable y ancho de banda ajustable, tanto en la frecuencia de corte baja como alta; un multiplicador para conformar la demodulación dual, que está embebido en el amplificador para optimizar consumo y área; y filtros pasa baja totalmente integrados, que actúan como extractores de magnitud de DC, con frecuencias de corte ajustables desde sub-Hz hasta cientos de Hz.<br /