Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Teses
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Tipo: Tese
Título: Uma metodologia de projeto de filtros Butterworth passa-baixa utilizando FDDTAs
Autor(es): PINTO, Paulo Marcos
Primeiro Orientador: FERREIRA, Luís Henrique de Carvalho
metadata.dc.contributor.advisor-co1: COLLETTA, Gustavo Della
Resumo: Este 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.
Abstract: 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.
Palavras-chave: Metodologia de filtro Butterworth passa-baixa e passa-alta
Inversão fraca
Amplificador de transcondutância diferencial de diferenças de saída diferencial
Circuitos e aplicações de ultrabaixa tensão e ultrabaixa potência
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELÉTRICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IESTI - Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologia da Informação
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia Elétrica
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/2389
Data do documento: 5-Mar-2021
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