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

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 ...