Биомедицинский фильтр заставил ток смещения работать дважды

У фильтра для ЭКГ, ЭЭГ и других биопотенциалов странная экономика: полезный сигнал живёт на частотах в единицы и сотни герц, транзисторы работают глубоко ниже порога, а несколько наноампер уже определяют и питание, и шум. Поэтому ветвь смещения обычно воспринимается как необходимая дань работоспособности каскада. В новой топологии её заставили участвовать в обработке сигнала второй раз.

Ветка смещения стала частью сигнального тракта

Схема содержит два полностью дифференциальных biquad, из которых собран ФНЧ четвёртого порядка. Первый использует super-source follower, второй — flipped-voltage follower. Между ними поставлен p-канальный common-gate мост: ток смещения biquad B направляется в выход biquad A. Это не одна общая ветвь на весь фильтр: по 2.65 нА разделяют секции в каждой половине дифференциального тракта. Но мост убирает отдельный токовый расход там, где в обычной каскадной сборке он был бы нужен.

После извлечения паразитик в IHP SG13G2 130 нм модель дала частоту среза 248.66 Гц при питании 1.5 В и 27 °C. Все 15 транзисторов работают в weak inversion, а core потребляет 11.91 нВт. Для носимой электроники здесь интересен не рекордный порядок величины сам по себе: топология превращает ограничение субпорогового режима в способ связать два активных звена.

Шум выиграл от топологии, но метрики различаются

Авторы сравнили вариант с current reuse со схемой из двух biquad на super-source follower при близкой мощности. Интегральный входной шум в полосе 0.5–200 Гц у нового варианта составил 29.19 мкВ rms, на 41.6% ниже выбранного reference design. Снижение связано с тем, что мост влияет на передачу шума и не требует дублировать ветвь, которая в исходной архитектуре добавляла бы собственный вклад. В статье встречается и число 32.9 мкВ rms, однако оно получено по другой методике: шум на выходе интегрируют от 1 Гц до удвоенной частоты среза и приводят ко входу через gain. Эти две метрики смешивать нельзя.

Топология не отменяет физику площади. Ячейка заняла 0.228 мм², причём 53.6% пришлись на MIM-конденсаторы. Для фильтра на сотни герц это привычная цена интегрального RC-времени: токи удалось ужать до наноампер, но ёмкость для задания полюсов всё ещё занимает заметный кусок кристалла. DRC и LVS заявлены чистыми, а результат получен после паразитической экстракции layout.

Конденсаторы всё ещё занимают половину кристалла

Картина пока существует только в симуляторе. Полный набор спецификаций прошёл 16 из 45 комбинаций process, supply и temperature; отдельные прогоны по питанию 1.40–1.65 В и температуре 0–70 °C удерживали срез в диапазоне 246.00–251.52 Гц. Измерения изготовленного кремния авторы оставили будущей работой. Автоматизированный flow SpiceXplorer помог довести схему от выбора топологии до layout и sign-off, однако шумовые цифры и выигрыш от переиспользования тока требуют проверки на кристалле.