New ultra low power switched - current finite impulse response filters realized in CMOS 0.18 μm technology

摘要

New switched current (SI) finite impulse response (FIR) filter structures are presented in this work. In FIR filters signal samples stored in delay line are multiplied by coefficients and then summed. These basic operations can be realized in different ways for both, digital or analog signals. SI FIR filter structures proposed here operate in current mode, what means that both input and output signals are currents and all analog building blocks work in current mode. Samples are stored in current mode sample-and-hold delay elements, multiplication by coefficients is realized in current mirrors, and summing in output junction. Proposed filters do not use op amps, thus consuming very low power, what is one of main assumptions here. On the basis of proposed structures filter banks can be easily realized. An example 7th-order filter with equal coefficients was realized in CMOS 0.18 μm technology and is described in the paper. Parameters of this circuit are very promising: chip area is 5000 μm~2, power consumption is 150 nW for 0.5 V voltage supply. Novel low-power clock generator is used in the filter. Designed filter works with clock frequency up to 5 MHz. Attenuation in the stopband can be below 40 dB (for several frequencies in designed experimental filter), what is sufficient for many wireless sensor networks (WSN) applications.%Przedstawiono nowe filtry o skończonej odpowiedzi impulsowej (FIR - Finite Impulse Response) pracujące w trybie prądowym (SI - Swit-ched Current). W filtrach FIR próbki sygnału zapisane w linii opóźniającej są mnożone przez współczynniki, a następnie sumowane. Te podstawowe operacje mogą być realizowane w różny sposób zarówno w przypadku sygnałów analogowych jak i cyfrowych. Zaproponowane filtry FIR pracują w trybie prądowym, co oznacza, że zarówno sygnał wejściowy jak i wyjściowy jest prądem oraz wszystkie analogowe bloki wewnętrzne pracują w trybie prądowym. Próbki są zapisywane w prądowych komórkach pamięci, mnożenie przez współczynniki odbywa się w lustrach prądowych, natomiast sumowanie jest realizowane w węźle wyjściowym. Zaproponowane filtry nie zawierają wzmacniaczy operacyjnych, przez co cechują się bardzo niskim poborem mocy. Na bazie zaproponowanych struktur filtrów można bardzo łatwo realizować banki filtrów. Przykładowy filtr siódmego rzędu został zaimplementowany w technologii CMOS 0,18 μm. Parametry tego filtru są bardzo obiecujące: powierzchnia w układzie scalonym wynosi 5000 μm~2, pobór mocy ok. 150 nW dla napięcia zasilającego 0,5 V, częstotliwośc maksymalna ok. 5 MHz. W filtrze zastosowano nowatorski niskomocowy system zegarowy. Tłumienie osiągalne w paśmie zaporowym (w tym przykładzie tylko dla kilku częstotliwości) jest większe niż 40 dB, co jest wystarczającym parametrem w wielu aplikacjach WSN.