Filtro pasa altas sintonizable integrado en tecnología CMOS de 180nm para circuitos de detección de biopotenciales
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2024-11
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Resumen
La electromiografía (EMG) permite analizar la actividad eléctrica muscular, brindando información clave sobre el control neuromuscular y la biomecánica del movimiento. Su versión de alta densidad (HD-EMG) emplea matrices de más de 200 electrodos para capturar señales detalladas en grandes áreas musculares. Sin embargo, este método plantea retos en términos de costo, tamaño y consumo de energía. En este marco, el Grupo de Investigación en Electromagnetismo, Salud y Calidad de Vida diseñó un circuito integrado (CI) destinado a la obtención de señales EMG, subrayando la importancia de modificar el diseño para también recoger señales de electroencefalografía (EEG) y electrocardiografía (ECG).
Este proyecto de ingeniería aborda este reto mediante el diseño de un filtro pasa altas sintonizable, integrado en tecnología CMOS de 180nm, orientado a la extracción de señales de HD-EMG, EEG y ECG. El filtro tiene como objetivo eliminar los componentes parásitos de baja frecuencia, generados, entre otros, por el acoplamiento capacitivo entre el electrodo y la piel del paciente. Si bien el filtro consta de un circuito integrador conectado en el lazo de realimentación de un Amplificador de Instrumentación (INA), en este proyecto se presenta solo el diseño y layout del bloque integrador mencionado.
El circuito diseñado garantiza un error de sintonización menor al 20% mediante un ajuste de corriente binario, orientado a corregir las desviaciones causadas por variaciones PVT. Lo anterior, con un consumo de corriente promedio de 4.19 μA y un nivel de ruido referido a la entrada de 1mV.
El layout del CI ocupa un área de 312.095 μm x 313.86 μm, y aunque la fabricación no es un objetivo del proyecto, el diseño pasó exitosamente la verificación de las reglas de diseño del proceso de fabricación, y la verificación layout versus esquemático, lo que permite su eventual fabricación.
Descripción
Abstract
Electromyography (EMG) enables the analysis of electrical muscle activity, providing key insights into neuromuscular control and movement biomechanics. Its high-density version (HD-EMG) employs arrays with over 200 electrodes to capture detailed signals across large muscle areas. However, this method faces challenges related to cost, size, and energy consumption. Within this context, the Research Group on Electromagnetism, Health, and Quality of Life developed an integrated circuit (IC) for EMG signal acquisition, emphasizing the need to adapt its design to also acquire electroencephalography (EEG) and electrocardiography (ECG) signals.
This project addresses these challenges by designing a tunable high-pass filter implemented in 180nm CMOS technology, aimed at extracting HD-EMG, EEG, and ECG signals. The filter's goal is to eliminate low-frequency parasitic components caused, among other factors, by capacitive coupling between the electrode and the patient’s skin. While the filter includes an integrator circuit connected to the feedback loop of an Instrumentation Amplifier (INA), this project focuses solely on the design and layout of the integrator block.
The designed circuit ensures a tuning error of less than 20% through a binary current trimming mechanism to correct deviations caused by PVT variations. It achieves an average current consumption of 4.19 μA and an input-referred noise level of 1 mV. The IC layout occupies an area of 312.095 μm x 313.86 μm. Although fabrication was not a project goal, the design successfully passed design rule checks (DRC) and layout versus schematic (LVS) verification, enabling its eventual fabrication.
Palabras clave
Biopotenciales, Ruido, Filtro, Microelectrónica
Keywords
Biopotentials, Noise, Filter, Microelectronics