GBM8320 - Dispositifs Médicaux Intelligents

GBM8320 - Dispositifs Médicaux Intelligents
Laboratoire #2
Filtre passe-bande basse consommation pour la sélection des
signaux sonores
G. Simard et M. Sawan
Janvier 2010
Introduction
Les filtres passe-bande sont d’usage courant dans les circuits électroniques. Dans les
applications biomédicales, les fréquences d’intérêt sont souvent de l’ordre du kilo Hertz [2, 3],
en particulier pour les implants cochléaires. Ce domaine fréquentiel requiert l’utilisation de
composants passifs tels que résistances, condensateurs et inductances souvent impossibles à
fabriquer à l’échelle d’une puce (condensateur > 100 pF, résistance > 100 kΩ, inductance
> 1 µH). Ce laboratoire propose de créer un filtre passe-bande actif à fréquence ajustable
basé sur des cellules de transconductance en inversion faible avec correction automatique du
mode commun, tout en répondant au besoin d’économie d’énergie des implants biomédicaux
(< 1 mW).
Pour ce faire, tous les transistors des schémas proposés doivent opérer en
inversion faible (subthreshold) [1]. Nous vous suggérons également de dimensionner les
longueurs de tous les transistors à 1 µm et la largeur des transistors PMOS à 3 fois celle
des transistors NMOS. L’alimentation de tous les circuits est fixée à 1.8 V. Votre budget de
puissance global ne devrait pas dépasser 3 à 5 uW. Prenez ceci en considération pour choisir
vos courants de polarisation et la dimension de vos transistors afin qu’ils fonctionnent en
inversion faible.
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Filtre passe-bande basé sur des cellules de transconductance
La figure 1 présente le diagramme bloc principal du circuit à réaliser. Les cellules de
transconductance sont identifiées gmx . Les condensateurs C1 et C2 sont à ajuster pour obtenir
une bande passante allant de 1 kHz à 30 kHz (± 15%) avec un courant de polarisation de
100 nA. La figure 2 montre le diagramme du circuit de contrôle du mode commun, présent
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Fig. 1 – Diagramme bloc du filtre passe-bande à réaliser
Fig. 2 – Diagramme bloc du circuit de contrôle du mode commun (CMFB)
deux fois sur la figure 1, où les connexions entrantes doivent se brancher sur les noeuds Vin+
et Vin− du diagramme bloc. Les noeuds VL et VH doivent être alimentés par une tension
continue de 0.8 V et 1 V respectivement. Notez également que les noeuds V1 et V3 ainsi que
V2 et V4 ne sont pas connectés ensemble, il s’agit bien de deux blocs CMFB distincts.
Pour effectuer vos simulations, vous devrez fournir une tension différentielle aux bornes
Vin+ et Vin− dont le mode commun sera de 0.9 V. La tension de sortie du filtre passe-bande
est récoltée aux noeuds Vout+ et Vout− , toujours en mode différentiel.
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Cellule de transconductance
La figure 3 présente le schéma d’une cellule de transconductance. Ce circuit est complètement différentiel, comme le témoigne les paires de terminaux d’entrée et de sortie. La borne
Ibias doit être alimentée par une source de courant idéale dont vous déterminerez la valeur.
Lors d’une première itération, vous devriez opter pour des tailles de transistors identiques,
sauf pour les transistors PMOS qui devront être 3 fois plus larges que les transistors NMOS.
Afin de valider le fonctionnement de votre cellule de transconductance, vérifiez que le
courant de polarisation Ibias circule effectivement dans la paire différentielle d’entrée et que
les autres branches sont polarisées correctement. Vérifiez également que tous les transistors
sont bel et bien dans la région d’inversion faible.
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Fig. 3 – Schéma de la cellule de transconductance (gm) selon [2]
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Circuit de contrôle du mode commun
La figure 4 présente le schéma interne du circuit de contrôle du mode commun. Suivez
les indications de la section précédante lors du dimensionnement des transistors et du choix
du courant de polarisation.
Afin de valider le fonctionnement de ce circuit, reliez temporairement les terminaux I11
à I22 à des charges actives (transistors NMOS en diode pour I11,12 et PMOS en diode pour
I21,22 ) puis appliquez une tension en mode commun aux terminaux d’entrée. Un courant
devrait circuler dans les branches de sortie. Il est normal que certains transistors soient
presque complètement éteints ou d’autres en saturation, mais la plupart doivent être en
inversion faible.
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Simulations et questions
1. Effectuez une simulation DC sur le circuit complet et montrez vos schémas sur lesquels
doivent être indiqués la dimension de tous les transistors, leur région d’opération, leur
courant de drain Id et la tension à tous les noeuds. (2 points)
2. Variez le courant de polarisation Ibias de 10 nA à 100 µA en simulation paramétrique
avec un point par décade et faites afficher la réponse en fréquence du filtre (gain en dB
et phase en degrés). (1 point)
3. Affichez la puissance instantannée consommée par l’ensemble de votre circuit lors d’une
simulation transitoire avec une onde sinusoı̈dale d’amplitude de 1 mV centrée sur
900 mV et de fréquence 10 kHz. (0.5 point)
4. Montrez la sortie différentielle de votre filtre à l’aide d’une simulation paramétrique sur
l’amplitude de l’onde sinusoı̈dale de la question précédante allant de 10 µV à 100 mV
avec un point par décade. (1 point)
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Fig. 4 – Schéma du circuit de contrôle du mode commun (CMFB) selon [2]
5. Montrez, toujours en simulation transitoire, les deux sorties de votre filtre avec l’onde
d’entrée de la question précédante afin d’illustrer la complémentarité de vos sorties.
(0.5 point)
6. Avec une onde sinusoı̈dale d’amplitude de 1 mV, montrez la sortie de votre filtre pour
les fréquences de 1 kHz, 10 kHZ et 100 kHz. Séparez les courbes afin d’augmenter la
lisibilité. (0.5 point)
7. Montrez la réponse de votre filtre lors de l’application d’un échelon en mode commun
de 700 mV à 1.1 V. (0.5 point)
8. Déterminez le temps de charge à 95% de leur valeur finale des condensateurs C1 et
C2 . Utilisez la fonction “Initial Condition” du menu “Simulation” de l’Analog Design
Environment avec laquelle vous forcerez les quatre bornes à la masse au début de la
simulation. (1 point)
9. Expliquez le fonctionnement interne de la cellule de transconductance sans recours aux
mathématiques. (1 point)
10. Justifiez l’emploi de deux circuits du contrôle du mode commun et expliquez leur
fonctionnement sans recours aux mathématiques. (2 point)
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Références
[1] Christian C. Enz, François Krummenacher, and Eric A. Vittoz. An analytical mos transistor model valid in all regions of operation and dedicated to low-voltage and low-current
applications. Analog Integr. Circuits Signal Process., 8(1) :83–114, 1995.
[2] O. Omeni, E. Rodriguez-Villegas, and C. Toumazou. A micropower cmos continuoustime filter with on-chip automatic tuning. Circuits and Systems I : Regular Papers,
IEEE Transactions on, 52(4) :695–705, April 2005.
[3] E. Rodriguez-Villegas, A.J. Payne, and C. Toumazou. A 290 nw, weak inversion, gm-c
biquad. In Circuits and Systems, 2002. ISCAS 2002. IEEE International Symposium on,
volume 2, pages II–221–II–224 vol.2, 2002.
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