Diseño de Front-End Analógico CMOS para Señales EMG
La señal electromiográfica (EMG) superficial es inherentemente compleja, caracterizada por ser una señal de muy baja amplitud (0.1 a 10 mVpp) y baja frecuencia (20 a 450 Hz). Su diseño enfrenta retos críticos, como el ruido térmico, el ruido flicker (1/f) a bajas frecuencias, el offset de electrodos y la omnipresente interferencia de red eléctrica. Para esta etapa, fijamos un diseño con una amplitud nominal de 1 mVpp y una alimentación reducida de 1.8 V.
Desafíos en la adquisición de señales EMG superficiales
Especificaciones técnicas iniciales para el diseño del front-end en tecnología SKY130.
Parámetros Eléctricos
Se presentan los parámetros objetivos para la primera iteración. La arquitectura busca un consumo máximo de 80 µW, operando en una banda de 20-450 Hz con una ganancia programable de 20-40 dB y un CMRR objetivo superior a 80 dB, garantizando un desempeño robusto.
Frecuencia de chopping de 20 kHz para ruido.
Especificaciones
Requerimientos del Front-End
UGB objetivo entre 100 kHz y 500 kHz para asegurar estabilidad.
Alimentación de 1.8 V y margen de fase > 60°.
Clasificación de Arquitecturas de Front-End
OTAs actuales con técnicas de reutilización de corriente para mayor eficiencia.
OTAs convencionales optimizadas para bajo ruido y bajo consumo.
Técnicas avanzadas de reducción de ripple e impedancia mejorada.
Entrada PMOS para reducir ruido flicker y Folded-Cascode para ganancia.
CCIAs con chopper y DC servo loop para mitigar offset y ruido.
Desplazamiento del ruido 1/f fuera de banda mediante chopper.
Técnicas
Resultados
Análisis
Estrategia de compensación
Referencia Besirli et al.
Innovación en Front-Ends
Uso de técnicas DT-RC para mitigar el ripple en amplificadores chopper, logrando eficiencias de hasta 4 µW en aplicaciones EMG.
Implementación de DSL e impedance boosting para registros neurales multicanal, optimizando la potencia del LNA a 2.16 µW.
Arquitectura clave en 180 nm y 1.2 V, utilizando un OTA folded-cascode con entrada PMOS y CMFB para el monitoreo de presión.
Arquitectura OTA seleccionada: Folded-Cascode y CMFB
Selección de topología: Hemos optado por una OTA folded-cascode totalmente diferencial. Esta configuración garantiza una alta ganancia en una sola etapa, simplificando drásticamente el proceso de compensación en comparación con alternativas de dos etapas. El uso de un par de entrada PMOS es fundamental para minimizar el ruido 1/f, mientras que la estructura diferencial, asistida por un lazo de Common-Mode Feedback (CMFB), asegura un alto CMRR, vital para el rechazo de interferencias. Basada en la arquitectura de Besirli et al., esta solución está siendo rediseñada específicamente para la tecnología SKY130, ajustando corrientes y dimensiones para optimizar el consumo.
+ info
Ganancia
Demodulación
Modulación
El sistema utiliza realimentación capacitiva con una red Cin/Cfb. Esta topología, característica en las CCIAs, permite fijar la ganancia del amplificador de manera precisa y estable.
Tras la amplificación, el segundo chopper actúa como demodulador, devolviendo la señal EMG útil a banda base, mientras los componentes no deseados se desplazan a alta frecuencia.
La señal EMG entra al primer chopper, que la modula a una frecuencia de conmutación de 20 kHz. Esto traslada la información fuera de la zona de ruido 1/f y del offset del OTA folded-cascode.
Adaptación del diseño analógico de 180nm a la tecnología SKY130 de 1.8V mediante metodologías de dimensionamiento robustas.
Elementos como la topología folded-cascode, par diferencial PMOS, CMFB y realimentación capacitiva se mantienen. Sin embargo, no deben copiarse directamente los anchos, longitudes, corrientes ni voltajes de polarización. Es imperativo aplicar la metodología gm/Id para reajustar cada transistor, recalculando parámetros críticos como transconductancia (gm), resistencia de salida (ro), tensión de saturación (VDSAT) y el impacto del ruido flicker.
El nuevo flujo de diseño exige una validación rigurosa del headroom disponible bajo los 1.8V de SKY130. La robustez frente a variaciones se garantiza mediante un análisis exhaustivo de esquinas PVT y la verificación del matching en el layout. Este proceso asegura que las capacitancias parásitas y la estabilidad general cumplan con los objetivos de desempeño, manteniendo la eficiencia energética necesaria.
+ info
Concluyendo los avances: hacia la implementación de nuestra arquitectura EMG.
80 µW
Presupuesto de potencia detallado: Limitamos el consumo a 80 µW (Itotal ≤ 44.4 µA a 1.8 V) para garantizar un margen de seguridad inicial en nuestra primera iteración de diseño bajo tecnología SKY130.
Jerarquía de bloques MOSFET
La jerarquía de bloques MOSFET permite traducir diagramas funcionales a circuitos reales. Implementamos el bias mediante espejos de corriente, empleamos pares diferenciales PMOS para minimizar el ruido 1/f, y configuramos cargas activas junto a la estructura folded-cascode para optimizar el ancho de banda y la ganancia.
- Utilizamos MOSFETs de 1.8V (PDK SKY130).
- Longitudes de canal extendidas en bloques críticos.
- Dimensionamiento preciso basado en la metodología gm/Id.
- Pregunta: ¿Qué bloque define la transconductancia (gm) de entrada del sistema?
Front-end CMOS con OTA Folded-Cascode para EMG
Eduardo Franco
Created on June 19, 2026
Avances en el diseño de un front-end analógico para adquisición de señales EMG en tecnología SKY130, detallando la selección de arquitectura, estabilización chopper, especificaciones técnicas y el flujo de validación para el diseño de circuitos.
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Diseño de Front-End Analógico CMOS para Señales EMG
La señal electromiográfica (EMG) superficial es inherentemente compleja, caracterizada por ser una señal de muy baja amplitud (0.1 a 10 mVpp) y baja frecuencia (20 a 450 Hz). Su diseño enfrenta retos críticos, como el ruido térmico, el ruido flicker (1/f) a bajas frecuencias, el offset de electrodos y la omnipresente interferencia de red eléctrica. Para esta etapa, fijamos un diseño con una amplitud nominal de 1 mVpp y una alimentación reducida de 1.8 V.
Desafíos en la adquisición de señales EMG superficiales
Especificaciones técnicas iniciales para el diseño del front-end en tecnología SKY130.
Parámetros Eléctricos
Se presentan los parámetros objetivos para la primera iteración. La arquitectura busca un consumo máximo de 80 µW, operando en una banda de 20-450 Hz con una ganancia programable de 20-40 dB y un CMRR objetivo superior a 80 dB, garantizando un desempeño robusto.
Frecuencia de chopping de 20 kHz para ruido.
Especificaciones
Requerimientos del Front-End
UGB objetivo entre 100 kHz y 500 kHz para asegurar estabilidad.
Alimentación de 1.8 V y margen de fase > 60°.
Clasificación de Arquitecturas de Front-End
OTAs actuales con técnicas de reutilización de corriente para mayor eficiencia.
OTAs convencionales optimizadas para bajo ruido y bajo consumo.
Técnicas avanzadas de reducción de ripple e impedancia mejorada.
Entrada PMOS para reducir ruido flicker y Folded-Cascode para ganancia.
CCIAs con chopper y DC servo loop para mitigar offset y ruido.
Desplazamiento del ruido 1/f fuera de banda mediante chopper.
Técnicas
Resultados
Análisis
Estrategia de compensación
Referencia Besirli et al.
Innovación en Front-Ends
Uso de técnicas DT-RC para mitigar el ripple en amplificadores chopper, logrando eficiencias de hasta 4 µW en aplicaciones EMG.
Implementación de DSL e impedance boosting para registros neurales multicanal, optimizando la potencia del LNA a 2.16 µW.
Arquitectura clave en 180 nm y 1.2 V, utilizando un OTA folded-cascode con entrada PMOS y CMFB para el monitoreo de presión.
Arquitectura OTA seleccionada: Folded-Cascode y CMFB
Selección de topología: Hemos optado por una OTA folded-cascode totalmente diferencial. Esta configuración garantiza una alta ganancia en una sola etapa, simplificando drásticamente el proceso de compensación en comparación con alternativas de dos etapas. El uso de un par de entrada PMOS es fundamental para minimizar el ruido 1/f, mientras que la estructura diferencial, asistida por un lazo de Common-Mode Feedback (CMFB), asegura un alto CMRR, vital para el rechazo de interferencias. Basada en la arquitectura de Besirli et al., esta solución está siendo rediseñada específicamente para la tecnología SKY130, ajustando corrientes y dimensiones para optimizar el consumo.
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Ganancia
Demodulación
Modulación
El sistema utiliza realimentación capacitiva con una red Cin/Cfb. Esta topología, característica en las CCIAs, permite fijar la ganancia del amplificador de manera precisa y estable.
Tras la amplificación, el segundo chopper actúa como demodulador, devolviendo la señal EMG útil a banda base, mientras los componentes no deseados se desplazan a alta frecuencia.
La señal EMG entra al primer chopper, que la modula a una frecuencia de conmutación de 20 kHz. Esto traslada la información fuera de la zona de ruido 1/f y del offset del OTA folded-cascode.
Adaptación del diseño analógico de 180nm a la tecnología SKY130 de 1.8V mediante metodologías de dimensionamiento robustas.
Elementos como la topología folded-cascode, par diferencial PMOS, CMFB y realimentación capacitiva se mantienen. Sin embargo, no deben copiarse directamente los anchos, longitudes, corrientes ni voltajes de polarización. Es imperativo aplicar la metodología gm/Id para reajustar cada transistor, recalculando parámetros críticos como transconductancia (gm), resistencia de salida (ro), tensión de saturación (VDSAT) y el impacto del ruido flicker.
El nuevo flujo de diseño exige una validación rigurosa del headroom disponible bajo los 1.8V de SKY130. La robustez frente a variaciones se garantiza mediante un análisis exhaustivo de esquinas PVT y la verificación del matching en el layout. Este proceso asegura que las capacitancias parásitas y la estabilidad general cumplan con los objetivos de desempeño, manteniendo la eficiencia energética necesaria.
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Concluyendo los avances: hacia la implementación de nuestra arquitectura EMG.
80 µW
Presupuesto de potencia detallado: Limitamos el consumo a 80 µW (Itotal ≤ 44.4 µA a 1.8 V) para garantizar un margen de seguridad inicial en nuestra primera iteración de diseño bajo tecnología SKY130.
Jerarquía de bloques MOSFET
La jerarquía de bloques MOSFET permite traducir diagramas funcionales a circuitos reales. Implementamos el bias mediante espejos de corriente, empleamos pares diferenciales PMOS para minimizar el ruido 1/f, y configuramos cargas activas junto a la estructura folded-cascode para optimizar el ancho de banda y la ganancia.