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Publicação
Amplificador de Instrumentação de Baixa Potência em Tecnologia CMOS para um Sistema Integrado de Aquisição de Sinal com Sensores MEMS.
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
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| 4.71 MB | Adobe PDF |
Orientador(es)
Resumo(s)
Esta dissertação apresenta o estudo de um amplificador de instrumentação integrado de Acomplamento Capacitivo (CCIA) para um analog front-end (AFE), otimizado para extrair sinais de um sensor tipo MEMS de elevada impedância. Este amplificador destina-se à integração num sistema AFE, implementado em tecnologia CMOS de 130 nm, do qual consiste num amplificador de instrumentação, um filtro passa-banda de condensadores comutados, e um conversor analógico digital do tipo sigma − delta. O amplificador de
instrumentação é capaz de operar a tensões de alimentação inferiores a 1 V, com uma
largura de banda (BW) até 10 kHz Visando a redução do ruido flícker, é utilizado uma técnica de modulação chopper, a qual acarreta uma consequente degradação da impedância de entrada. Todavia, esta é
compensada por efeito de uma malha de realimentação positiva. Este amplificador de baixo ruído é constituído por um andar de entrada folded cascode, que recorre a uma técnica de distribuição de corrente para a diminuição de potência dissipada. Para além deste bloco de entrada, o circuito incluí um segundo andar common-drain e um andar de saída common-source.
Para uma tensão de alimentação de 1 V, o amplificador de instrumentação apresenta uma potência total consumida de 2.6 µW, uma impedância de entrada superior a 1 GΩ, e um SNR máximo de 107 dB. O ganho em malha aberta é de 87 dB, com um GBW de 583.4 kHz. O ruído referente à entrada obtido é de 4.6 nVrms, com um valor NEF resultante de 4. O CMRR e PSRR obtidos são superiores a 97 dB e 66 dB, respectivamente, com uma área total ocupada de 0.06mm2.
This dissertation presents the design of a low-noise capacitively-coupled instrumentation amplifier for an analog front-end (AFE) optimized for the extraction of signals from a high impedance MEMS sensor. This amplifier is part of an AFE which is implemented in a standard 130 nm bulk CMOS technology. Beside the high-impedance input amplifier, the AFE includes a programmable switch-capacitor bandpass filter and a sigma-delta modulator. The instrumentation amplifier is capable to operate with a sub-1 V power supply at a 10 kHz bandwidth. A chopper modulation technique is implemented to further reduce the flicker noise, with a positive feedback network, compensating the resulting low input impedance. The low-noise amplifier consists of a differential input pair folded cascode, using a current splitting technique to decrease the power consumption, with a common-drain configuration and a common source output stage. For a power supply of 1 V, the instrumentation amplifier achieves a total power consumption of 2.6 µW, with an equivalent input impedance greater then 1 GΩ and a maximum SNR of 107 dB. The open loop gain is 87 dB with a GBW of 584 kHz. The measured input referred noise is 4.6 µVrms, with a NEF value of 4. The minimum CMRR of the amplifier is 97 dB and the PSRR minus is 66 dB. The total area occupied is 0.06mm2.
This dissertation presents the design of a low-noise capacitively-coupled instrumentation amplifier for an analog front-end (AFE) optimized for the extraction of signals from a high impedance MEMS sensor. This amplifier is part of an AFE which is implemented in a standard 130 nm bulk CMOS technology. Beside the high-impedance input amplifier, the AFE includes a programmable switch-capacitor bandpass filter and a sigma-delta modulator. The instrumentation amplifier is capable to operate with a sub-1 V power supply at a 10 kHz bandwidth. A chopper modulation technique is implemented to further reduce the flicker noise, with a positive feedback network, compensating the resulting low input impedance. The low-noise amplifier consists of a differential input pair folded cascode, using a current splitting technique to decrease the power consumption, with a common-drain configuration and a common source output stage. For a power supply of 1 V, the instrumentation amplifier achieves a total power consumption of 2.6 µW, with an equivalent input impedance greater then 1 GΩ and a maximum SNR of 107 dB. The open loop gain is 87 dB with a GBW of 584 kHz. The measured input referred noise is 4.6 µVrms, with a NEF value of 4. The minimum CMRR of the amplifier is 97 dB and the PSRR minus is 66 dB. The total area occupied is 0.06mm2.
Descrição
Palavras-chave
Amplificador de Instrumentação Baixa Potência Baixo Ruído MEMS Sensores Analog Front-End