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

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dc.creator PINTO, Paulo Marcos
dc.date.issued 2021-03-05
dc.identifier.uri https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/2389
dc.description.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. pt_BR
dc.description.sponsorship Agência 1 pt_BR
dc.language por pt_BR
dc.publisher Universidade Federal de Itajubá pt_BR
dc.rights Acesso Aberto pt_BR
dc.subject Metodologia de filtro Butterworth passa-baixa e passa-alta pt_BR
dc.subject Inversão fraca pt_BR
dc.subject Amplificador de transcondutância diferencial de diferenças de saída diferencial pt_BR
dc.subject Circuitos e aplicações de ultrabaixa tensão e ultrabaixa potência pt_BR
dc.title Uma metodologia de projeto de filtros Butterworth passa-baixa utilizando FDDTAs pt_BR
dc.type Tese pt_BR
dc.date.available 2021-04-09
dc.date.available 2021-04-10T13:34:17Z
dc.date.accessioned 2021-04-10T13:34:17Z
dc.creator.Lattes http://lattes.cnpq.br/0645669021707489 pt_BR
dc.contributor.advisor1 FERREIRA, Luís Henrique de Carvalho
dc.contributor.advisor1Lattes http://lattes.cnpq.br/336902675373078 pt_BR
dc.contributor.advisor-co1 COLLETTA, Gustavo Della
dc.description.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. pt_BR
dc.publisher.country Brasil pt_BR
dc.publisher.department IESTI - Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologia da Informação pt_BR
dc.publisher.program Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia Elétrica pt_BR
dc.publisher.initials UNIFEI pt_BR
dc.subject.cnpq CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELÉTRICA pt_BR
dc.relation.references PINTO, Paulo Marcos. Uma metodologia de projeto de filtros Butterworth passa-baixa utilizando FDDTAs. 2021. 101 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2021. pt_BR


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