Gm-C circuit and filter design for analog rapid prototyping, sensor readout and neural recording applications

Medientyp: E-Book

Titel: Gm-C circuit and filter design for analog rapid prototyping, sensor readout and neural recording applications

Beteiligte: De Dorigo, Daniel [Verfasser]; Manoli, Yiannos [Akademischer Betreuer]; Manoli, Yiannos [Sonstige]; Woias, Peter [Sonstige]

Körperschaft: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Erschienen: Freiburg: Universität, 2022

Umfang: Online-Ressource

Sprache: Englisch

DOI: 10.6094/UNIFR/230385

Identifikator:

Schlagwörter: Entwurfsautomation ; CMOS ; Analogschaltung ; Schaltungsentwurf ; Analoge integrierte Schaltung ; Ausleseverfahren ; Dissertation ; Gehirn-Computer-Schnittstelle ; Mikroelektronik ; OTA ; (local)doctoralThesis

Entstehung:

Hochschulschrift: Dissertation, Universität Freiburg, 2022

Anmerkungen:

Beschreibung: Abstract: In dieser Arbeit wird eine Sammlung von Schaltungen auf der Grundlage von Transkonduktanzverstärker-Kondensator Architekturen (OTA-C) vorgestellt. Im Vergleich zu anderen Schaltungstechniken, wie z.B. Operationsverstärkern (OPAMPs), ist der Transkonduktanzverstärker ein grundlegender und vielseitiger Baustein, der auf eine Vielzahl von Anwendungen zugeschnitten werden kann, die hohe Bandbreiten, geringen Stromverbrauch, geringes Rauschen und einen geringen Fächenbedarf erfordern. Die Realisierbarkeit von OTA-C-Filtern für hochfrequente und hochgradig rekonfigurierbare Schaltungen wird durch die Implementierung und Charakterisierung eines fieldprogrammable analog array (FPAA) in einer 130 nm-Technologie gezeigt, der Filter bis zu einer maximalen Eckfrequenz von 350MHz instanzieren kann und eine on-chip Filterkalibration integriert. Die Kalibration basiert auf einer neuartigen Filterentwurfsmethode für OTA-C Leapfrog-Filter, die im Gegensatz zu anderen bekannten Ansätzen nicht auf konventioneller Koeffizientenanpassung oder Transformationen von äquivalenten OPAMP-RC oder passiven Filterstrukturen beruht. Die Entwurfsmethode umfasst Techniken zur Optimierung für Implementierungen mit hoher Linearität oder niedriger Leistungsaufnahme und ist im Vergleich zu konventionellen Entwurfsverfahren bis zu einigen Größenordnungen rechnerisch effizienter. Der günstige Trade-off zwischen Leistung und Bandbreite von OTAs wird auch ausgenutzt, um Schaltungen mit reduzierter Bandbreite und geringer Leistungsaufnahme zu entwerfen. Dies wird durch verschiedene Implementierungen gezeigt, wie z. B. ein OTA-C Schleifenfilter für eine energieeffiziente elektromechanische Sensorausleseschaltung in einem geschlossenen Regelkreis, die auf ΔΣ-Modulation basiert. Bei diesem Design sowie bei der schaltungstechnischen Implementierung einer automatischen Filterkalibration werden Stromspiegel-OTAs umfassend genutzt. Der Stromspiegelansatz ermöglicht es, OTAs mit mehreren Ausgängen zu implementieren, was zu vereinfachten und sehr kompakten Schaltungen führt. Unter Verwendung dieser Technik wurde der vorgestellte Schleifenfilter mit einer äquivalenten Fläche von nur 5,5 OTAs entworfen, anstatt 11 OTAs, wie es bei der Implementierung von einzelnen Transkonduktanzverstärkern erforderlich wäre. Außerdem enthält der Schleifenfilter einen Resonator mit einem hohen Gütefaktor. Solche Resonatoren werden üblicherweise entweder mit OPAMP-RC Architekturen entworfen oder erfordern große und komplexe Schaltungen zur Feinabstimmung der Güte. Es wird ein Verfahren gezeigt, das einfach und dennoch robust gegenüber Prozess- und Temperaturschwankungen ist und einen Gütefaktor des Resonators von über 3640 (3σ) für eine nominale Mittenfrequenz von 25 kHz und über 1000 erreicht, wenn die Mittenfrequenz in einem Einstellbereich zwischen 13 kHz und 31 kHz variiert. Im Rahmen dieser Anwendung wird auch ein OTA-basierter Digital-Analog-Umsetzer mit Stromausgang vorgestellt, der zur Abstimmung des Bias-Stroms des Schleifenfilters verwendet wird, aber auch als allgemeiner Baustein für Anwendungen geeignet ist, die feine Stromkalibrierungen erfordern. Der Ansatz wird im Hinblick auf seine Robustheit gegenüber Prozessvariationen mit konventionellen Stromquellenarrays verglichen, wobei sich zeigt, dass die vorgestellte Architektur eine bis zu viermal kleinere Schaltungsimplementierung ermöglicht. Schließlich wird ein Design vorgestellt, das alle Vorteile von OTA-C Schaltungen, d.h. geringer Stromverbrauch, geringes Rauschen und geringe Fläche, für den Anwendungsbereich neuronaler Ausleseschaltungen kombiniert. Das modulare Design ermöglicht diedirekte Analog-Digital-Umsetzung neuronaler Signale auf einer Fläche von 70x70 μm unter jeder Sensorelektrode auf dem Schaft einer aktiven, nadelförmigen subkortikalen CMOS Sonde. Die vollständige Integration auf dem Schaft wird durch einen energie und flächeneffizienten inkrementellen ΔΣ-Wandler erster Ordnung mit einem einstufigen OTA-C Integrator erreicht. Im Vergleich zum Stand der Technik benötigt die Sonde nur eine digitale 4-Draht Schnittstelle und ermöglicht das gleichzeitige Auslesen einer großen Anzahl von 144 Elektrode. Die Basis der Sonde ist so schlank wie der Schaft und hat eine Breite von 70 μm. Damit kann die aktive Sonde vollständig im Hirngewebe versenkt werden. Einstufige OTA-C Schaltungen werden auch im Zusammenhang mit der analogen Signalverarbeitung unter Verwendung organischer Dünnschichttransistortechnologien (OTFT) analysiert. Es werden OTA-C Filter mit einem einzigen differentiellen Zweig vorgestellt, die nur p-Kanal Transistoren verwenden und die Einschränkungen überwinden, die sich aus den ausgeprägten Nicht-Idealitäten organischer Bauelemente ergeben, wie z. B. eine geringe Mobilität und hohe parasitäre Kapazitäten. Der Ansatz ermöglicht die Implementierung von Filtern mit Eckfrequenzen bis zur Hälfte der Transitfrequenz, was analoge OTFT-Schaltungen für z.B. Audioanwendungen ermöglicht

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