MICROPOWER CONTINUOUS-TIME FILTERS IN STANDARD CMOS PROCESSES

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					MICROPOWER CONTINUOUS-TIME FILTERS IN STANDARD
              CMOS PROCESSES




                           THÈSE No 2533 (2002)

              PRÉSENTEEA LA FACULTESTI SECTION D'ÉLECTRICITÉ



        ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE

        POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES TECHNIQUES




                                          PAR


                          Dominique PYTHON
                       ingénieur en microtechnique diplômé EPF
                   de nationalité suisse et originaire d'Ecuvillens (FR)




                            acceptée sur proposition du jury:

                  Prof. M. Declercq, Prof. Ch. Enz directeurs de thèse
                              Prof. M. Hasler, rapporteur
                               Prof. A. Kaiser, rapporteur
                             Prof. G. Moschytz, rapporteur
                               Prof. E. Vittoz, rapporteur




                                    Lausanne, EPFL
                                          2002
Abstract
This dissertation provides a comprehensive methodology for designing low-power continuous-
time filters in CMOS technology. Filter synthesis are described and implemented according to
"transconductance-capacitance" (gm-C) and "log-domain" techniques. Their respective
performances are examined by commenting numerous experimental results. Dynamic range
optimizations are demonstrated for three low-pass filters that meet specifications of base-band
applications in the sub-MHz range at different supply voltages. Fully digital CMOS processes
have been targeted for economical reasons which remains a challenge for analog filtering
functions. So the developed architectures exploit high-density MOS capacitors as integrating
elements. Alternatively, a superposition of metal-polysilicon layers is also used if a low
distortion performance is required for large voltage swings.
  For the first filter, a novel architecture of gm-C filters is investigated at a supply voltage of
2.5 V. It is shown that the current-reuse principle can be successfully implemented using
gyrators consisting of complementary transconductors. The trend towards a rninimization of the
power consumption has furthermore motivated the use of highly linearized transconductors. To
this aim, the nonlinear effects due to mobility reductions and to moderate channel inversion
have been analyzed in detail. This linearity analysis can be extended to al1 operating modes of
MOS transistors.
  By decreasing the supply voltage, the gm-C approach faces severe design restrictions. These
restrictions are analyzed by designing the second filter supplied by a voltage of only 1 V. The
dynamic range limitations, resulting from a so low supply voltage, are partly overcome thanks
to a pseudo-differential topology. At low frequencies, the filter linearity largely exceeds the
performances that would be expected from individual integrators. This last property particularly
meets the requirements that are set for antialiasing filters, which are often designed with a pass
band much wider than the system bandwidth of interest.
  A similar filter synthesis is finally exploited to a class-AB log-domain biquad which leads to
remarkable swing capability. The current-mode signals are weakly constrained by the supply
voltage of 1.5 V and so can reach up to 500 times the nominal value of the bias current at low
frequencies. Unfortunately, this high efficiency is degraded as the signal frequency increases.
The presence of mismatches, of parasitic poles and, of non-ideal exponential voltage-to-current
conversions in MOS transistors restrict the dynamic range of log-domain filters.
  The conclusion of this work compares the low-power performance of these filters to each
other. The individual performance is quantified by a minimum factor of merit. The comparison
takes into account the filter order, the power dissipation, the bandwidth, and the dynamic range.
                -
  Index terms CMOS aizalog integrated circuits, continuous-time filters, OTA, gm-Cfilters,
current mode, companding sigizal processing, log-domain filters, low-voltage, low-power
circuits.
Resumé
  Cette dissertation décrit une méthodologie pour le design de filtres CMOS à temps continu et
à faible puissance. Des synthèses de filtres sont implémentées selon des techniques dites à
"transconductance-capacité" (gm-C) et "log-domain". Leurs performances respectives sont
examinées en commentant de nombreux résultats expérimentaux. Des optimisations de la
gamme dynamique sont démontrées pour trois filtres passe-bas qui satisfont des spécifications
d'applications en bande de base opérant à des fréquences inférieures au mégahertz et à
différentes tensions d'alimentation. Des process purement digitaux sont ciblés pour des raisons
économiques ce qui demeure un défi pour des fonctions de filtrage analogique. Ainsi les
architectures développées exploitent la haute densité de capacités MOS en guise d'éléments
d'intégration. Mais alternativement, une superposition de couches métal-polysilicium est aussi
utilisée pour des capacités de faible valeur, si une bonne linéarité est demandée pour de larges
swings en tension.
  Pour le premier filtre, une nouvelle architecture de filtres gm-C est investiguée à une tension
d'alimentation de 2.W. Il est montré que le principe de réutilisation du courant peut être
implémenté avec succès en utilisant des gyrateurs composés de transconductances
complémentaires. Cette tendance vers une minimisation de la puissance consommée a de plus
motivé l'utilisation de transconducteurs hautement linéarisés. Pour cet objectif, les effets
nonlinéaires de réduction de mobilité et d'inversion modérée dans un canal de transistor MOS
ont été étudiés en détail. Cette analyse de linéarité peut être étendue à tous les modes d'opération
du transistor MOS.
  En réduisant la tension d'alimentation, l'approche gm-C rencontre de sévères restrictions de
design. Ces restrictions sont analysées par la conception d'un second filtre alimenté par une
tension de 1 V seulement. La limitation de la gamme dynamique, conséquente d'une si faible
tension, est partiellement surmontée grâce à une topologie pseudo-différentielle. En basse
fréquence, la linéarité du filtre excède largement la performance qui serait attendue des
intégrateurs élémentaires. Cette dernière propriété convient particulièrement aux exigences de
filtres de garde, pour lesquels la bande passante d'intérêt est souvent bien inférieure à la largeur
de bande du filtre.
  Une synthèse similaire est finalement exploitée pour un filtre log qui bénéficie alors de
remarquables propriétés dynamiques. Les signaux en mode courant ne sont pas contraints par
la tension d'alimentation de 1.5V et peuvent atteindre jusqu'à 500 fois la valeur nominale du
courant de polarisation en basse fréquence. Malheureusement, cette grande efficacité est
dégradée comme la fréquence du signal augmente. La présence de pôles parasites, de mismatchs
sur les tensions de seuil et, de conversions exponentielles tension-courant non-idéales dans un
transistor MOS concourent à une réduction de la gamme dynamique des filtres log.
  La conclusion de ce travail compare les performances de ces trois filtres. Les performances
individuelles sont quantifiées par un minimum facteur de mérite. Cette comparaison prend en
considération l'ordre du filtre, la puissance dissipée, la largeur de bande et la gamme dynamique.
1
Table of contents
    1 Continuous-time filters in
      CMOS technology
     1.1 Motivation: CMOS analog in sub-micrometer technology
     1.2 Study Domain: Continuous-time filters
     1.3 Goal and key aspects
       1.3.1. Low-power filters
       1.3.2. Dedicated techniques for low supply voltage
       1.3.3. An accurate transistor model in moderate inversion
       1.3.4. Fundamental limits to practical design
     1.4 Outline of the dissertation
       1.4.1. Part i: Gm-C filters
       1.4.2. Part II: Log-domain filters
     1.5 Bibliography

    Part 1: Gm-C Filters

    2 Efficient linearization techniques
     2.1 The transistor as a basic transconductor
       2.1.1. Definition
       2.1.2. Combination of two-port devices
       2.1.3. Maximum DWP ratio
       2.1.4. Balanced signal processing
       2.1.5. Pseudo-differential pair
       2.1.6. Differential pair (biased by a current source)
     2.2 Elementary (weak-)distortion
     2.3 Practical integrators and their efficiency
       2.3.1. Signal processing mode
       2.3.2. System viability and technological constraints
     2.4 Conclusion
     2.5 Bibliography
      3 Fundamental nonlinearity
        of the MOST in the triode region                        39
       3.1 In1:roduction
       3.2 Liiiearity
         3.2.1. Strong inversion model and effective mobility
         3.2.2. "Continuous" Taylor function from WI to SI
         3.2.3. Merged effects
         3.2.4.. Distortion in MOS in saturation
       3.3 Use of a pseudo-cascode transistor
         3.3.1. Unregulated cascode
         3.3.2. Transconductance factor
         3.3.3. Distortion
       3.4 Conclusion
       3.5 Bibliography

      4 A complementary-gm filter
        using triode-mode operation
       4.1 lntroduction
       4.2 Matching of NMOS and PMOS transconductances
         4.2.1. Current-reuse principle
         4.2.2. Transconductance matching circuit
         4.2.3. Measurements of the matching circuit
       4.3 Biquad filter
         4.3.1. Design and implementation
         4.3.2. Measurements
       4.4 Conclusion
       4.5 Bibliography

      5 A 1V pseudo-differential filter
       5.1 lntroduction
       5.2 Pseudo-differential low-pass filter synthesis
         5.2.1. lmpedance simulation method
         5.2.2. Linearity improvement
       5.3 lmproved MOS capacitor structure
       5.4 Filter implementation
       5.5 Measurement results
       5.6 Conclusion
       5.7 Bibliography




xii
Part II: Log-domain Filters

6 About MOS log-domain filters
 6.1 From bipolar to MOS processes
 6.2 Principle and implementation of log-domain lntegrators
   6.2.1 . Principle
   6.2.2. lntegrator cores
   6.2.3. lnverting and non-inverting log-domain integrator
 6.3 Requirements for high-order filters
   6.3.1. Preprocessing of the input signal
   6.3.2. Lossy integrator
   6.3.3. Filter synthesis
 6.4 Distortion in a MOS log-domain filter
   6.4.1 . Distortion related to parasitic capacitors
   6.4.2. Effect of mismatches in class-AB signals
   6.4.3. Distortion related to the MOST large-signal characteristic
 6.5 Conclusion
 6.6 Bibliography

7 A class-AB log-domain filter
 7.1 Introduction
 7.2 Class-AB signal conditioner
   7.2.1 . CMOS implementation
   7.2.2. Noise
 7.3 Second-order log filter
   7.3.1 . Pseudo-differential topology
   7.3.2. Impact of mismatches on distortion
   7.3.3. Signal-dependent noise in class AB
 7.4 Experimental results
 7.5 Conclusion
 7.6 Bibliography




                                                                       xiii
 8.1 Suimmary
 8.2 Conclusion and recommendations
 8.3 'fasks contributing to this dissertation
 8.4 Bilbliography


Annex A
  EKPI intrinsic model parameter

Annex B
  Taylor coefficients of the continuous
  interpolation of transconductance

Curriculum Vitae