GBM8320 - Dispositifs Médicaux Intelligents

GBM8320 - Dispositifs M´edicaux Intelligents
Laboratoire #2
Filtre passe-bande basse consommation pour la s´election des
signaux sonores
G. Simard et M. Sawan
Janvier 2010
Introduction
Les filtres passe-bande sont d’usage courant dans les circuits ´electroniques. Dans les
applications biom´edicales, les fr´equences d’int´erˆet sont souvent de l’ordre du kilo Hertz [2, 3],
en particulier pour les implants cochl´eaires. Ce domaine fr´equentiel requiert l’utilisation de
composants passifs tels que r´esistances, condensateurs et inductances souvent impossibles `a
fabriquer `a l’´echelle d’une puce (condensateur >100 pF, r´esistance >100 kΩ, inductance
>1µH). Ce laboratoire propose de cr´eer un filtre passe-bande actif `a fr´equence ajustable
bas´e sur des cellules de transconductance en inversion faible avec correction automatique du
mode commun, tout en r´epondant au besoin d’´economie d’´energie des implants biom´edicaux
(<1 mW).
Pour ce faire, tous les transistors des sch´emas propos´es doivent op´erer en
inversion faible (subthreshold) [1]. Nous vous sugg´erons ´egalement de dimensionner les
longueurs de tous les transistors `a 1 µm et la largeur des transistors PMOS `a 3 fois celle
des transistors NMOS. L’alimentation de tous les circuits est fix´ee `a 1.8 V. Votre budget de
puissance global ne devrait pas d´epasser 3 `a 5 uW. Prenez ceci en consid´eration pour choisir
vos courants de polarisation et la dimension de vos transistors afin qu’ils fonctionnent en
inversion faible.
1 Filtre passe-bande bas´e sur des cellules de transcon-
ductance
La figure 1 pr´esente le diagramme bloc principal du circuit `a r´ealiser. Les cellules de
transconductance sont identifi´ees gmx. Les condensateurs C1et C2sont `a ajuster pour obtenir
une bande passante allant de 1 kHz `a 30 kHz (±15%) avec un courant de polarisation de
100 nA. La figure 2 montre le diagramme du circuit de contrˆole du mode commun, pr´esent
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Fig. 1 – Diagramme bloc du filtre passe-bande `a r´ealiser
Fig. 2 – Diagramme bloc du circuit de contrˆole du mode commun (CMFB)
deux fois sur la figure 1, o`u les connexions entrantes doivent se brancher sur les noeuds Vin+
et Vin−du diagramme bloc. Les noeuds VLet VHdoivent ˆetre aliment´es par une tension
continue de 0.8 V et 1 V respectivement. Notez ´egalement que les noeuds V1et V3ainsi que
V2et V4ne sont pas connect´es ensemble, il s’agit bien de deux blocs CMFB distincts.
Pour effectuer vos simulations, vous devrez fournir une tension diff´erentielle aux bornes
Vin+et Vin−dont le mode commun sera de 0.9 V. La tension de sortie du filtre passe-bande
est r´ecolt´ee aux noeuds Vout+et Vout−, toujours en mode diff´erentiel.
2 Cellule de transconductance
La figure 3 pr´esente le sch´ema d’une cellule de transconductance. Ce circuit est compl`ete-
ment diff´erentiel, comme le t´emoigne les paires de terminaux d’entr´ee et de sortie. La borne
Ibias doit ˆetre aliment´ee par une source de courant id´eale dont vous d´eterminerez la valeur.
Lors d’une premi`ere it´eration, vous devriez opter pour des tailles de transistors identiques,
sauf pour les transistors PMOS qui devront ˆetre 3 fois plus larges que les transistors NMOS.
Afin de valider le fonctionnement de votre cellule de transconductance, v´erifiez que le
courant de polarisation Ibias circule effectivement dans la paire diff´erentielle d’entr´ee et que
les autres branches sont polaris´ees correctement. V´erifiez ´egalement que tous les transistors
sont bel et bien dans la r´egion d’inversion faible.
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Fig. 3 – Sch´ema de la cellule de transconductance (gm) selon [2]
3 Circuit de contrˆole du mode commun
La figure 4 pr´esente le sch´ema interne du circuit de contrˆole du mode commun. Suivez
les indications de la section pr´ec´edante 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
`a I22 `a 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’entr´ee. Un courant
devrait circuler dans les branches de sortie. Il est normal que certains transistors soient
presque compl`etement ´eteints ou d’autres en saturation, mais la plupart doivent ˆetre en
inversion faible.
4 Simulations et questions
1. Effectuez une simulation DC sur le circuit complet et montrez vos sch´emas sur lesquels
doivent ˆetre indiqu´es la dimension de tous les transistors, leur r´egion d’op´eration, leur
courant de drain Idet la tension `a tous les noeuds. (2 points)
2. Variez le courant de polarisation Ibias de 10 nA `a 100 µA en simulation param´etrique
avec un point par d´ecade et faites afficher la r´eponse en fr´equence du filtre (gain en dB
et phase en degr´es). (1 point)
3. Affichez la puissance instantann´ee consomm´ee par l’ensemble de votre circuit lors d’une
simulation transitoire avec une onde sinuso¨ ıdale d’amplitude de 1 mV centr´ee sur
900 mV et de fr´equence 10 kHz. (0.5 point)
4. Montrez la sortie diff´erentielle de votre filtre `a l’aide d’une simulation param´etrique sur
l’amplitude de l’onde sinuso¨ ıdale de la question pr´ec´edante allant de 10 µV `a 100 mV
avec un point par d´ecade. (1 point)
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Fig. 4 – Sch´ema du circuit de contrˆole du mode commun (CMFB) selon [2]
5. Montrez, toujours en simulation transitoire, les deux sorties de votre filtre avec l’onde
d’entr´ee de la question pr´ec´edante afin d’illustrer la compl´ementarit´e de vos sorties.
(0.5 point)
6. Avec une onde sinuso¨ ıdale d’amplitude de 1 mV, montrez la sortie de votre filtre pour
les fr´equences de 1 kHz, 10 kHZ et 100 kHz. S´eparez les courbes afin d’augmenter la
lisibilit´e. (0.5 point)
7. Montrez la r´eponse de votre filtre lors de l’application d’un ´echelon en mode commun
de 700 mV `a 1.1 V. (0.5 point)
8. D´eterminez le temps de charge `a 95% de leur valeur finale des condensateurs C1et
C2. Utilisez la fonction “Initial Condition” du menu “Simulation” de l’Analog Design
Environment avec laquelle vous forcerez les quatre bornes `a la masse au d´ebut de la
simulation. (1 point)
9. Expliquez le fonctionnement interne de la cellule de transconductance sans recours aux
math´ematiques. (1 point)
10. Justifiez l’emploi de deux circuits du contrˆole du mode commun et expliquez leur
fonctionnement sans recours aux math´ematiques. (2 point)
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R´ef´erences
[1] Christian C. Enz, Fran¸cois Krummenacher, and Eric A. Vittoz. An analytical mos tran-
sistor 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 continuous-
time 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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