Arquiteturas de Amplificadores de Instrumentação

Como já mencionado anteriormente, o amplificador de instrumentação é o primeiro bloco de condicionamento utilizado para bipotenciais, por isso, é nele onde é definido o nível de ruído que será transmitido para o restante do sistema e, também, o CMRR, a capacidade de rejeitar sinais de modo-comum (Coulon 2012).

As principais características dos amplificadores de instrumentação já foram aborda- das. Ele deve ter tal comportamento devido a uma série de interferências que afetam de forma significativa o desempenho dos sistemas de aquisição de biopotenciais. São algumas dessas interferências (Coulon 2012):

• o ruído flicker dos transistores de Metal-Óxido Semicondutor (MOS), que distorce o sinal de entrada dificultando a sua detecção;

• offset DC gerado pela interface eletrodo-pele;

• transistores MOS possuem também um offset de entrada;

• interferência de modo comum, principalmente devido à rede (60 Hz).

Além do já mencionado, os amplificadores de bipotenciais devem, segundo Yazicioglu et al. (2008), possuir:

2.5. ARQUITETURAS DE AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTAÇÃO 17

• alta impedância de entrada, para que o sinal a ser analisado não sofra com atenuação e/ou distorção;

• uma boa resposta para ruídos de baixas frequências, para tal, podem ser integradas ao amplificador as técnicas de choppers e autozero.

A seguir serão apresentadas as principais arquiteturas encontradas na literatura para amplificadores de instrumentação. A arquitetura que é mais difundida na literatura e que foi a primeira a ser projetada é a que faz uso de três amplificadores operacionais, conhecida como INA resistivo (Goel & Singh 2013) (Sharma & Mehra 2016). Para baixo consumo a configuração mais popular é a de INA com acoplamento AC (ou ainda AC- CoupledINA) (Ha et al. 2014) (Tseng et al. 2012) (Harrison & Charles 2003) (Mollazadeh et al. 2009) (Yu et al. 2008) (Wattanapanitch et al. 2007) (Corradi & Indiveri 2015). Além dessas duas, há também o INA com realimentação/balanceamento de corrente (CBIA, do inglês Current Balancing Instrumentation Amplifier) (Coulon 2012) (Dal Fabbro 2002). Essas três arquiteturas serão melhor descritas a seguir.

A configuração mais básica desse circuito pode ser construída a partir de três amplificadores operacionais (ou AmpOps) , sendo dois configurados como não-inversores e um terceiro como amplificador diferencial (Thakor 1999) como pode ser observado na Figura 2.8. É de fácil implementação, possui uma alta impedância de entrada e um ganho de banda passante (AM) que depende de uma razão entre resistores de realimentação.

Figura 2.8: INA formado por três amplificadores (imagem adaptada). Fonte: Webster & Eren (2014).

Para possuir um alto CMRR, a configuração deve apresentar nas entradas uma alta im- pedância e resistores casados. Em tecnologia CMOS (do inglês Complementary Metal- Oxide-Semiconductor, ou metal-óxido-semicondutor complementar) não é tão simples realizar o casamento entre resistores, uma vez que para tal é necessário fazer uso de la- sers, que encarece o processo de fabricação do chip. Além do problema relacionado ao

18 CAPÍTULO 2. REFERENCIAL TEÓRICO

casamento de resistores, essa arquitetura possui um alto consumo, níveis consideráveis de ruído e problemas com saturação do sistema. Como fazem uso de muitos resistores ocupam uma área de chip maior e necessita de circuitos adicionais para eliminar as ten- sões de offset/DC presentes no sistema e sinal coletado. Sendo assim, pode-se concluir que esse tipo de arquitetura não é muito indicada para aplicações que exijam um baixo consumo e baixo ruído (Pancotto et al. 2016) (Yazicioglu et al. 2008) (Dal Fabbro 2002) (Coulon 2012) (Van Helleputte et al. 2015) (Ha et al. 2014) (Prior et al. 2008).

Como soluções aos problemas apresentados pela topologia que utiliza resistores integrados, pode-se aplicar duas arquiteturas o INA baseado em capacitores chaveados (SCIA, do inglês Switched-Capacitor Instrumentation Amplifier) e o INA baseado em capacitores, ambas podem ser visualizadas na Figura 2.9. Sendo que o primeiro consiste, basicamente, em substituir os resistores pode capacitores chaveados, eliminando assim problemas com ruídos (Yazicioglu et al. 2008) (Coulon 2012) (Pancotto et al. 2016), já o segundo, substitui as resistências físicas por capacitores em paralelo com pseudo- resistores, o que resulta num menor consumo e maior rejeição do nível DC (Pini & McCarthy 2010) (Fay et al. 2009).

(a) (b)

Figura 2.9: (a) SCIA e (b) INA baseado em capacitores (imagem adaptada). Fonte: Coulon (2012) e Pini & McCarthy (2010).

Outra arquitetura presente na literatura é o amplificador de instrumentação CBIA, esse sistema pode ser observado na Figura 2.10.

O CBIA consiste de forma geral em um amplificador cujo ganho é definido pela rela- ção de apenas dois resistores, diferente da configuração anterior que possuía um arranjo maior de resistores para o ganho. Isso faz com que reduza a necessidade de resistores casados para se obter um alto CMRR. Existem inúmeras arquiteturas internas para se realizar a transferência de corrente como podem ser observadas em Dal Fabbro (2002) e Van Helleputte et al. (2015), por exemplo.

2.5. ARQUITETURAS DE AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTAÇÃO 19

Figura 2.10: Amplificador de Instrumentação CBIA. Fonte: Dal Fabbro (2002).

Essa arquitetura é indicada para implementações de baixo consumo e baixo ruído e se apresenta como uma boa alternativa para se obter um alto CMRR. Diferente da arquitetura com três amplificadores, o CBIA não necessita de um alto consumo no estágio de saída para reduzir ruídos. Essa arquitetura pode ser utilizado em conjunto com outras técnicas como a modulação chopper para reduzir os ruídos existentes nos sistema de aquisição de biopotencial (Van Helleputte et al. 2015) (Yazicioglu et al. 2008).

Por último, a arquitetura que se apresenta como a mais indicada para aplicações de baixo consumo e baixo ruído é a do amplificador de instrumentação com acoplamento AC que pode ser verificada na Figura 2.11.

g

m + -

v

ref

C

R

C

_R

C

V

out

Figura 2.11: INA com acoplamento AC (imagem adaptada). Fonte: Harrison & Charles (2003).

Esta configuração faz uso de capacitores de acoplamento na entrada do circuito, o que ocasiona numa eliminação de tensões DC na entrada, ou seja, esse tipo de configuração

20 CAPÍTULO 2. REFERENCIAL TEÓRICO

elimina ruídos do tipo DC/offset, e ainda, eleva a impedância de entrada do sistema. O ganho de banda média do sistema é dado pela razão entre C1 e C2 (Harrison & Charles

2003). C1 pode ser reduzido para que não provoque uma atenuação do sinal proveniente

do eletrodo (Harrison 2008).

A frequência de corte inferior é dada pela relação RC2. Por se tratar de biopotenciais, essa frequência de corte tende a ser muito pequena, o que para um sistema integrado, culmina por exigir que a relação RC2seja muito alta. Em circuitos integrados, o ideal é que os tamanhos das capacitâncias sejam pequenas, isso faz com que em contrapartida, os valores das resistências sejam muito elevados para essa relação, chegando a atingir as faixas de GΩ e TΩ (Harrison & Charles 2003). Sabe-se que resistores são elementos extremamente ruidosos e que quanto maiores são seus valores mais ruídos injetam no sistema, para que o sistema seja factível em circuito integrado é necessário o uso de pseudo-resistores que serão detalhados na seção 2.6.

Outra característica dessa topologia é que apresenta um comportamento de baixo consumo, isso porque requer, para a sua implementação, um amplificador simples, que pode ser utilizado em aplicações de baixo consumo. Em Fay et al. (2009), Tseng et al. (2012) e Nemirovsky et al. (2001) se justifica o uso de dispositivos PMOS (Transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor do tipo p) na entrada do sistema para redução do ruído flicker. Isso porque o ruído flicker pode ser menor em transistores PMOS que nos NMOS (Transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor do tipo n). E ainda, indicam utilizar transistores de entrada relativamente grandes, uma vez que o ruído flicker é inversamente proporcional a área desses transistores.

Assim como na arquitetura anterior, existem alguns trabalhos que utilizam essa topologia em conjunto com técnicas de choppers e autozeros, para satisfazer os requisitos low noise(baixo ruído) (Van Helleputte et al. 2015) (Ha et al. 2014) (Tseng et al. 2012). São trabalhos que utilizam INA com acoplamento AC: Yu et al. (2008), Mollazadeh et al. (2009), Harrison (2008), Harrison (2007), Parente et al. (2018), Baishnab et al. (2017), Kim & Cha (2016), Li et al. (2013), Pratyusha et al. (2015), Granado et al. (2017), Pan- cotto et al. (2016) e Chang et al. (2017).

A tabela 2.2 sumariza as propriedades das três arquiteturas supracitadas.

A Figura 2.12 traz um comparativo entre as três arquiteturas de amplificadores de instrumentação mencionadas no capítulo: o amplificador formado por três AmpOps, com realimentação/balanceamento de corrente (CBIA) e amplificador com acoplamento AC. O comparativo leva em consideração o baixo ruído, baixo consumo, alta impedância de entrada, alto CMRR e alta faixa de rejeição a sinais de offset.

Na Tabela 2.3 podem ser observados um comparativo entre trabalhos com amplificador do instrumentação do estado da arte, voltados para o tratamento de biosinais. São esses trabalhos supracitados: (Harrison & Charles 2003), (Wattanapanitch et al. 2007), (Mollazadeh et al. 2009), (Majidzadeh et al. 2011), (Tseng et al. 2012), (Zhang et al. 2012), (Ng & Xu 2016), (Zhang et al. 2018) e (Hsu et al. 2018).

O levantamento do estado da arte para amplificadores de instrumentação, evidenciou que a arquitetura mais mencionada em literatura é a do INA com acoplamento AC. Essa arquitetura foi mencionada pela primeira vez em Harrison (2002) e, em seu trabalho poste- rior Harrison & Charles (2003) e é repercutida até os dias de hoje em inúmeros trabalhos.

2.5. ARQUITETURAS DE AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTAÇÃO 21

INA com três

amplificadores CBIA

INA com acoplamento AC

Baixo Consumo Não Sim Sim

Alta Impedância de Entrada Sim Sim Sim, capacitor de entrada CMRR independente do

casamento de passivos Usa resistores Sim Usa capacitores

CMRR Alto Alto Médio

Rejeição de nível DC Não Não Sim

Ganho de fácil manipulação Sim Sim Sim

Baixo Ruído Não Sim Sim

Fácil implementação

em Tecnologia CMOS Não Sim Sim

Tabela 2.2: Comparativo entre amplificadores de instrumentação.

IA ideal

Configuração com 3 amps CBIA baixo ruído alto CMRR baixo consumo alta faixa de rejeição de offset alta impedância de entrada

Figura 2.12: Comparativo entre amplificadores de instrumentação. Fonte: Autoria própria.

Um dos maiores problemas de se trabalhar com pequenos sinais, que são o caso dos biopotenciais, está no ruído, uma vez que este pode deteriorar o sinal a ser analisado. Os ruídos 1/f em transistores CMOS, limita a otimização do consumo deste e induz um des- casamento entre transistores, o que resulta numa piora de CMRR. Para reduzir os problemas com esses ruídos e com isso, reduzir o consumo do sistema e melhorar a qualidade do sinal adquirido, são utilizadas algumas técnicas. São elas as técnicas de autozero e chop-

pere ainda há a junção desses dois métodos, que são os chopper auto-zeroed amplifier.

Essas técnicas podem ser associadas aos amplificadores de intrumentação (Yazicioglu et al. 2008) (Witte et al. 2009).

22 CAPÍTULO 2. REFERENCIAL TEÓRICO Harrison e Charles, 2003 Wattanapanitch et al., 2007 Mollazadeh et al., 2009 Majidzadeh et al., 2011 Tseng et al., 2012 Zhang1 et al., 2012 Ng e Xu, 2016 Zhang et al., 2018 Hsu et al., 2018 Tecnologia 1,5 µm 0,5 µm 0,5 µm 0,18 µm 0,18 µm 0,13 µm 65 nm 0,35 µm 0,13 µm Tensão de Alimentação ± 2,5 V 2,8 V 3,3 V 1,8 V 0,4 V 1 V 1V 2 V 2 V Corrente de

Alimentação 16 µA 2,7 µA 8 µA 4,4 µA 0,226 µA 12,5 µA 160 nA 0,9 µA

Consumo 80 µW 7,56 µW 1,8 mW 7,92 µW 0,09 µW 12,5 µW 3,28 µW por canal 320 nW 1,8 µW Ganho (dB) 39,5 dB 40,85 dB 39,6 dB 39,4 dB 40 – 70 dB 40,5 dB 52,1 dB 39,8 dB 34,6 dB Largura de banda (Hz) 0,025 – 7,2 k 45 – 5,32 k 8,2 k 10 – 7.2 k 0,5 – 100 10 – 400 0,4 – 8,5 k 1 – 8,2 k 0,2 – 200 0,9 – 350 CMRR ≥ 83 dB2 _{66 dB} _{> 76 dB}3 _{70,1 dB} _{> 120 dB} _{60 dB} > 90 dB @100 Hz >80 dB @1 kHz > 65 dB 95 dB PSRR ≥ 85 dB2 _{75 dB} _{> 70 dB}3 _{63,8 dB} _N/A _{≥ 60 dB} _{78 dB @1 kHz} _{> 70 dB} _{85 dB} Ruído referido à entrada 2,2 µVrms 3,06 µVrms 1,94 µVrms 3,5 µVrms 0,88 µVrms @100 Hz N/A 4,13 µVrms 2,05 µVrms 0,1 – 10 kHz 3,2 µVrms NEF 4,0 2,67 2,9 3,35 4.7 4,5 3,19 2,26 6,25

PEF N/A N/A N/A N/A N/A 20,3 10,2 10,2 N/A

THD (max. signal) (1 % ) 16,7 mVp−p (1 % @1,024 kHz) 7,3 mVp−p (1 % ) ≤ 10 mVp−p (1 % ) 5,7 mVp−p N/A (1,5 % ) @ 1 mVp−p (1 %) 0,7 mVp−p (< 1 % ) 15 mVp−p (0,06 % ) 5,5 mVp−p Área 0,16 mm2 0,16 mm2 3 mm x 3 mm 0,0625 mm2 0,28 mm2 0,047 mm2 0,042 mm 2 por canal 0,18 mm 2 _{0,16 mm}2

1_{Dados para BPA1: Malha fechada do Amplificador Telescopic-cascode.} 2_{10 Hz – 5 kHz.}

3_{1 Hz – 10 kHz.}

No documento Amplificadores de instrumentação integrados de baixo consumo e baixo ruído para aplicações portáteis voltadas ao tratamento de biosinais (páginas 40-47)