1.0 v-0.18 µm CMOS tunable low pass filters with 73 db dr for on-chip sensing acquisition systems

This paper presents a new approach based on the use of a Current Steering (CS) technique for the design of fully integrated Gm–C Low Pass Filters (LPF) with sub-Hz to kHz tunable cut-off frequencies and an enhanced power-area-dynamic range trade-off. The proposed approach has been experimentally validated by two different first-order single-ended LPFs designed in a 0.18 µm CMOS technology powered by a 1.0 V single supply: a folded-OTA based LPF and a mirrored-OTA based LPF. The first one exhibits a constant power consumption of 180 nW at 100 nA bias current with an active area of 0.00135 mm2 and a tunable cutoff frequency that spans over 4 orders of magnitude (~100 mHz–152 Hz @ CL = 50 pF) preserving dynamic figures greater than 78 dB. The second one exhibits a power consumption of 1.75 µW at 500 nA with an active area of 0.0137 mm2 and a tunable cutoff frequency that spans over 5 orders of magnitude (~80 mHz–~1.2 kHz @ CL = 50 pF) preserving a dynamic range greater than 73 dB. Compared with previously reported filters, this proposal is a competitive solution while satisfying the low-voltage low-power on-chip constraints, becoming a preferable choice for general-purpose reconfigurable front-end sensor interfaces

A CMOS low pass filter for soc lock-in-based measurement devices

This paper presents a fully integrated Gm–C low pass ¿lter (LPF) based on a current ¿steering Gm reduction-tuning technique, specifically designed to operate as the output stage of a SoC lock-in amplifier. To validate this proposal, a first-order and a second-order single-ended topology were integrated into a 1.8 V to 0.18 µm CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) process, showing experimentally a tuneable cutoff frequency that spanned five orders of magnitude, from tens of mHz to kHz, with a constant current consumption (below 3 µA/pole), compact size (<0.0140 mm2 /pole), and a dynamic range better than 70 dB. Compared to state-of-the-art solutions, the proposed approach exhibited very competitive performances while simultaneously fully satisfying the demanding requirements of on-chip portable measurement systems in terms of highly efficient area and power. This is of special relevance, taking into account the current trend towards multichannel instruments to process sensor arrays, as the total area and power consumption will be proportional to the number of channels

Diseño de un filtro pasa bajos para neural SPIKES en tecnología CMOS con voltaje de alimentación de 1V

Los próximos capítulos de la presente tesis se contempla una revisión de dispositivos wearable como estado del arte. Lo que le sigue es una explicación de los puntos teóricos importante para el desarrollo. Finalmente, se cuenta con la solución y los resultados. Se empieza mencionando los diferentes desarrollos tecnológicos en base a los dispositivos wearable y cómo estos han tenido resultados prometedores en el uso con personas o animales. Después de eso, se menciona la motivación para continuar con el desarrollo del trabajo; y se continúa con el estado del arte de las topologías para el diseño de filtros pasabajos en tecnología CMOS. En la parte de la revisión teórica, se desarrollarán aspectos necesarios tales como el análisis en pequeña señal, la obtención función transferencia por medio del Teorema de Blackman y el método de análisis en frecuencia del profesor Ali Hajimiri, y el uso de un Level Shifter. Para finalizar, se realizarán las simulaciones en condiciones nominales y PVT para cada tipo de respuesta: AC, DC, transitoria, ruido y potencia; luego se muestra la comparativa de este trabajo con la literatura

Uma metodologia de projeto de filtros Butterworth passa-baixa utilizando FDDTAs

This work presents a design methodology for the Butterworth low-pass filter of any order, based on the differential-difference transconductance amplifier building blocks. Moreover, a similar design methodology for the high-pass Butterworth filter, using FDDTA, is also investigated. At first, the proposed methodology, the low-pass and high-pass Butterworth filter theories are presented, including state-of-the-art implementations and possible limitations of Butterworth filters. Then, the FDDTA is stated and its operation is evaluated, and a practical implementation using two fully differential inverter-based operational transconductance amplifiers (OTAs) is also investigated. This particular FDDTA implementation relies on two main features: the intrinsically matched transistors that assure similar transconductances and output conductances for both inverter-based OTA instances; and the inverter-based approach without internal nodes that reduces circuit complexity and power consumption since it requires no supplementary external calibration circuit such as tail current or bias voltage sources. Next, the Butterworth low-pass methodology, using FDDTAs, is demonstrated, showing that the proposed topology presents the expected transfer function according to the Butterworth low-pass filter theory. Following, the high-pass Butterworth filter architecture based on the FDDTA instance is also verified, demonstrating its possible feasibility, implementation, and limitations. Finally, intended to demonstrate the methodology functionality for the low-pass Butterworth, a fifth-order filter is implemented, which consists of one inverter-based OTA input stage and five FDDTAs in a cascade connection, showing that it presents the expected fifth-order transfer function according to the Butterworth theory. The prototype, implemented in a 130nm CMOS process, operates in weak inversion supplied with 0.25V and consumes 603nW. Furthermore, the filter features a DR of 57dB in a 100Hz bandwidth and a maximum THD of 54dB, therefore, accomplishing specifications that suit for low-frequency applications.Agência 1Este trabalho apresenta uma metodologia de projeto de filtros Butterworth passa-baixa de qualquer ordem, baseada no bloco de construção amplificador de transcondutância diferencial de diferenças de saída diferencial (FDDTA). É investigada, também, uma metodologia de projeto similar para o filtro Butterworth passa-alta utilizando o FDDTA. A princípio, são apresentadas a metodologia a ser seguida e as teorias de filtro Butterworth passa-baixa e passa-alta, incluindo as implementações do estado da arte de filtros Butterworth e possíveis limitações. Em seguida, o FDDTA é apresentado e sua operação é avaliada e, também, é investigada uma implementação prática usando dois amplificadores operacionais de transcondutância de saídas diferenciais (OTAs), baseados em inversores. Essa implementação específica do FDDTA se baseia em duas características principais: os transistores intrinsecamente casados que asseguram transcondutâncias e condutâncias de saída semelhantes para ambas as instâncias OTAs; e a abordagem baseada no inversor sem nós internos que reduz a complexidade do circuito e o consumo de potência, uma vez que não requer circuito de calibração externo suplementar, como corrente de cauda ou fontes de tensão de polarização. A seguir, a metodologia do filtro Butterworth passa-baixa, usando FDDTAs, é demonstrada, mostrando que a topologia proposta apresenta a fun- ção de transferência esperada de acordo com a teoria de filtros. Na sequência, também, é verificada a arquitetura do filtro Butterworth passa-alta, através da instância FDDTA, demonstrando sua possível viabilidade, implementação e limitações. A fim de demonstrar a funcionalidade da metodologia para o filtro Butterworth passa-baixa, é implementado um filtro de quinta ordem, em que tal topologia consiste em um estágio de entrada diferencial OTA baseado no inversor e cinco instâncias FDDTAs em conexão cascata, evidenciando que a topologia apresenta as características da teoria de filtro Butterworth passa-baixa. O protótipo, implementado em um processo CMOS de 130nm, opera na região de inversão fraca, sob tensão de alimentação de 0,25V e consome 603nW. Além disso, o filtro apresenta uma faixa dinâmica (DR) de 57dB em uma largura de banda de 100Hz e uma distorção harmônica total (THD) máxima de 54dB, cumprindo, portanto, especificações adequadas para aplicações de baixa frequência

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 /

Various Order Low–Pass Filter with the Electronic Change of Its Approximation

A design of a low pass frequency filter with the electronic change of the approximation characteristics of resulting responses is presented. The filter also offers the reconnection–less reconfiguration of the order (1st, 2nd, 3rd and 4th order functions are available). Furthermore, the filter offers the electronic control of the cut–off frequency of the output response. The feature of the electronic change of the approximation characteristics has been investigated for Butterworth, Bessel, Cauer, Chebyshev and Inverse Chebyshev approximations. The design is verified by PSpice simulations and experimental measurements. The results are also supported by the transient domain response (response to the square waveform), comparison of group delay, sensitivity analysis and implementation feasibility based on given approximation. The benefit of the proposed electronic change of the approximation characteristics feature (in general signal processing or for sensors in particular) has been presented and discussed for an exemplary scenario

Electronics for Sensors

The aim of this Special Issue is to explore new advanced solutions in electronic systems and interfaces to be employed in sensors, describing best practices, implementations, and applications. The selected papers in particular concern photomultiplier tubes (PMTs) and silicon photomultipliers (SiPMs) interfaces and applications, techniques for monitoring radiation levels, electronics for biomedical applications, design and applications of time-to-digital converters, interfaces for image sensors, and general-purpose theory and topologies for electronic interfaces