amplitudes de 10 µV, resultou numa saída de aproximadamente 300 mV. A Figura 6.14 apresenta a análise do ruído referido à entrada.
10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 10-7 10-6 10-5 10-4 Frequência (Hz) Ruído (V /sqrt(Hz) )
Figura 6.14: Ruído para o amplificador configurado para o caso 2. Fonte: Autoria Própria.
Esse ruído apresenta um pico em 1,38 mHz. Para se obter o valor de ruído total referido à entrada, faz-se necessário elevar ao quadrado, integrar e tirar a raiz da curva da Figura 6.14.
Esse mesmo procedimento foi realizado para os dois casos. No caso 1, o ruído foi de 5,75 µVrms e, para o caso 2 de 4,7 µVrms. O que resultou num NEF de 3,13 e 5,29, respectivamente.
Assim como o cálculo do ruído, foi realizada a simulação para determinação do THD. Os resultados para o caso 2 de THD assumindo o critério de 1 %, foi de 26,4 mVp-p.
6.3
Leiautes e resultados comparativos
O leiaute para ambas as arquiteturas de amplificadores foram implementados utili- zando tecnologia CMOS 0,5 µm.
Após a confecção do leiaute, foram realizadas simulações DRC (Design Rules Check) e LVS (Layout Versus Schematic) com estes, para verificar a compatibilidade do leiaute com as técnicas de projeto pré-estabelecido pela tecnologia, bem como, verificação de alguma irregularidade com o leiaute, e, verificar se o leiaute projetado está de acordo com o implementado a nível de esquemático.
Na Figura 6.15, pode ser observado o leiaute implementado para o OTA Current-
Mirrorcom terminação simples.
O sistema completo contendo o estágio de amplificação do Current-Mirror single-
endedpode ser observado na Figura 6.16.
70 CAPÍTULO 6. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO
Figura 6.15: Leiaute do OTA Current-Mirror Single-Ended. Fonte: Autoria Própria.
C1 C1
R C2
C2 R OTA - Single-ended
Figura 6.16: Leiaute Amplificador de Instrumentação utilizando OTA Current-Mirror Single-ended.
6.3. LEIAUTES E RESULTADOS COMPARATIVOS 71
A Figura 6.17 mostra o leiaute implementado para o Amplificador com entradas e saídas diferenciais (fully-differential).
Figura 6.17: Leiaute do OTA Current-Mirror Fully Differential. Fonte: Autoria Própria.
O leiaute da arquitetura de INA utilizando Current-Mirror fully-differential, bem como, os capacitores e pseudo-resistores utilizados pode ser observado na Figura 6.18.
Após a confecção de ambos os leiautes, verificou-se a compatibilidade com as normas da tecnologia e regras de leiaute, bem como, a harmonia entre esquemático e leiaute projetados. Além disso, realizou-se a simulação de extração de parasitas.
Foram repetidas as simulações realizadas nas subseções 6.1.1 e 6.1.2 para a arquitetura do fully-differential, após a extração dos parasitas. Esses resultados podem ser verificados a seguir.
A Figura 6.19 mostra o ganho obtido para a configuração de INA com acoplamento AC, com topologia de OTA Current-Mirror Fully-differential. Esse ganho foi de 34,6 dB, o que evidencia a pouca interferência proveniente dos parasitas. Tendo em vista que ocorreu pouca variação no ganho obtido para essa configuração.
Ocorreu uma leve alteração em relação as frequências de corte, esta variando agora de 335 mHz – 8,7 kHz.
72 CAPÍTULO 6. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO
C1 C1
R C2
C2 R
OTA - Fully-differential
Figura 6.18: Leiaute Amplificador de Instrumentação utilizando OTA Current-Mirror Fully Differential.
Fonte: Autoria Própria.
10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105 106 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Frequência (Hz) Ganho (dB )
Figura 6.19: Simulação de ganho AC após a extração de parasitas no Current-Mirror Fully Differential.
Fonte: Autoria Própria.
A Figura 6.20 mostra a resposta a um sinal diferencial no tempo. Como pode ser observado, mesmo sob a ação de parasitas o sistema se comportou como esperado.
6.3. LEIAUTES E RESULTADOS COMPARATIVOS 73 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 tempo (s) T ensão ( V) Sinal de entrada Sinal de saída
Figura 6.20: Simulação de transient após a extração de parasitas no Current-Mirror Fully Differential.
Fonte: Autoria Própria.
valores antes e depois da extração de parasitas. Essa alteração é devido a existência de resistências e capacitâncias parasitas, que influenciam na resposta de ganho e frequência, bem como, no sinal no tempo.
A arquitetura do fully-differential mostrou bom comportamento e estabilidade mesmo sob a ação de parasitas, o que valida a arquitetura projetada.
Por fim, a Tabela 6.4 sumariza os resultados obtidos para as três arquiteturas projeta- das e simuladas nesta dissertação.
Além disso, na tabela 6.4 é possível se fazer um comparativo com outros três trabalhos encontrados na literatura, são eles o Harrison & Charles (2003), Pancotto (2017) e Hsu et al. (2018).
Os resultados expostos na tabela para os três projetos de amplificadores realizados e, para os dados obtidos no projeto da Pancotto (2017), levam em consideração dados simulados. Os resultados obtidos por Harrison & Charles (2003) e Hsu et al. (2018) são dados obtidos por meio de testes experimentais.
Apesar de perder um pouco em relação ao ruído referido à entrada, quando compa- radas à outras arquiteturas, as topologias propostas apresentaram bom desempenho em relação ao consumo, ganho e resposta em frequência, podendo englobar as faixas de to- dos os biopotenciais apresentados no capítulo 2.
As propostas 1 e 2 apresentaram os melhores valores de NEF, o que demonstra uma boa eficiência em relação ao ruído, uma vez que esse associa o ruído presente na banda de operação do amplificador.
A proposta 3 apresentou melhor desempenho em relação ao NEF, quando configurada para o ganho mínimo de 40,5 dB, perdendo um pouco da eficiência, quando configurado para o ganho máximo de 89,73 dB.
74 CAPÍTULO 6. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO
comum (CMRR), revelando os melhores resultados para esse critério.
Proposta 11 Proposta 22 Proposta 33 Harrison e Charles, 2003 Pancotto4, 2017 Hsu et al., 2018 Tecnologia 0,5 µm 0,5 µm 0,5 µm 1,5 µm 0,5 µm 0,13 µm Tensão de Alimentação ± 1,5 V ± 1,5 V ± 1,5 V ± 2,5 V ± 2,5 V 2 V Corrente de
Alimentação 1,2 µA 1.2 µA 2,4 µA 16 µA 10 µA 0,9 µA
Consumo 3,6 µW 3,6 µW 7,2 µW 80 µW 50 µW 1,8 µW Ganho (dB) 41,25 34,56 40,5 | 89,73 39,5 40 34,6 Largura de banda (Hz) 0,26 – 9,1 k 0,189 – 9,5 k 0,28 – 12,4 k | 0,28 – 3,8 k 0,025 – 7,2 k 0,4 – 10 k 0,9 – 350 CMRR > 100 dB > 100 dB > 100 dB ≥ 83 dB5 94,6 dB 95 dB PSRR > 110 dB > 75 dB N/A ≥ 85 dB5 N/A 85 dB Ruído referido à entrada 6,35 µVrms 5,31 µVrms 5,75 µVrms | 4,7 µVrms 2,2 µVrms 3,7 µVrms 3,2 µVrms NEF 2,8 2,3 3,13 | 5,29 4,0 N/A 6,25 THD (max. signal) (1 % ) 31,3 mVp−p N/A N/A (1 % ) 16,7 mVp−p N/A (0,06 % ) 5,5 mVp−p Situação
dos dados Simulados Simulados Simulados Medidos Simulados Medidos 1Arquitetura de um estágio single-ended, valores simulados.
2Arquitetura de um estágio fully-differential, valores simulados. 3Arquitetura de dois estágios, valores simulados.
4Valores simulados. 510 Hz – 5 kHz.
Capítulo 7
Conclusões e Perspectivas
O desenvolvimento de circuitos e sistemas para o registro dos biopotenciais em tec- nologia CMOS podem viabilizar soluções de baixo consumo para aplicações portáteis, como em dispositivos vestíveis ou monitoramento remoto de sinais vitais. O amplificador de instrumentação é um bloco fundamental para viabilizar a aquisição destes biopotenci- ais e a escolha de sua arquitetura está diretamente relacionada a obtenção dos requisitos para tais aplicações.
Neste trabalho, amplificadores de instrumentação com acoplamento capacitivo, e utili- zando pseudo-resistores foram propostos, para aplicações portáteis voltadas ao tratamento de biosinais.
Um comparativo entre duas arquiteturas de OTA para aplicações de baixo-consumo e baixo-ruído foi apresentado, de modo a validar o seu projeto utilizando a metodologia gm/ID. Para tal, foram utilizadas as arquiteturas do Folded-Cascode e Current-Mirror. A arquitetura do Current-Mirror, possibilitou a diminuição das fontes de alimentação e polarização, bem como, um melhor ganho, enquanto que a arquitetura do Folded-Cascode apresentou um melhor desempenho em relação ao ruído. A escolha da arquitetura para o projeto está ligada diretamente a prioridade dada a cada especificação, de acordo com a aplicação.
Além disso, é realizada, também de forma comparativa, uma análise acerca das ar- quiteturas de pseudo-resistores. Para isso, foi proposto um comparativo utilizando as variações de tensão aplicadas sobre o pseudo-resistor. Foram consideradas para cada va- riação de tensão, duas sub-regiões: uma com maior variação de corrente, e outra de maior linearidade (em torno do zero), o que resultou em dois parâmetros de ∆R e ∆R0, respecti- vamente. Após essa análise, foi selecionada a arquitetura com seis transistores em série, uma vez que esta foi a que apresentou o melhor comportamento em relação a resistência e estabilidade.
Com isso, têm-se o projeto do amplificador de instrumentação, que pode ser utilizado tanto em uma configuração simples (com terminação simples ou diferencial), quanto em uma configuração de dois estágios. Os resultados de simulação para o INA em confi- guração simples com arquitetura single-ended foram para um ganho de 41,25 dB, com largura de banda de 263 mHz – 9,1 kHz, com um NEF de 2,8 e ruído referido à entrada de 6,35 µVrms. Em configuração simples com arquitetura fully-differential, foi obtido um ganho de 34,56, com largura de banda de 189 mHz – 9,5 kHz, NEF de 2,3 e ruído referido à entrada de 5,31 µVrms. E em configuração de dois estágios foram realizados
76 CAPÍTULO 7. CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS
testes para dois casos, o primeiro com ganho de 40 dB, e o segundo com um ganho de 89 dB. Ambas as configurações foram selecionadas para ver o comportamento desta para sinais com amplitudes e frequências limites nas faixas esperadas para os biopotenciais. Ambas as arquiteturas apresentaram bom comportamento para os sinais configurados, e ruídos baixos, para o caso 1, de 5,75 µVrms e NEF de 3,13, para o caso 2 de 4,7 µVrms e NEF de 5,29.
Foram elaborados os layouts de modo a se permitir o teste e comparar com os re- sultados de simulação. Ambas as arquiteturas apresentaram valores bem próximos dos esperados no pós-layout.
Com isto, este trabalho apresenta contribuições que vão desde a análise comparativa dos OTAs para aplicações portáteis, até a sua aplicação em um amplificador de instrumen- tação integrado proposto para condicionamento de biopotenciais, validado por simulações pós-layout. Além destas contribuições, é feita a proposta de uma metodologia compara- tiva para pseudo-resistores.
A seguir, são apresentados alguns dos trabalhos futuros para esse projeto.
7.1
Trabalhos Futuros
Como trabalhos futuros, espera-se:
1. Fabricar os circuitos aqui desenvolvidos, de modo a se comparar ambas as arqui- teturas apresentadas. Com o circuito fabricado também será possível realizar os testes experimentais, para aplicar no condicionamento de biopotenciais;
2. Realizar simulações de Monte Carlo de alto nível para as capacitâncias C1e C2, e, resistências obtidas pelo pseudo-resistor da Figura 6.1, para a partir disto, verificar as limitações do sistema e variabilidade dos dispositivos;
3. Adicionar o estágio de CMFB (Commom-mode feedback) para a arquitetura total- mente diferencial (fully-differential);
4. Realizar simulações de pequenos sinais.
5. Realizar testes com variação de capacitâncias, podendo dividir esta em várias afim de se reduzir as possíveis interferências.
6. Além disso, almeja-se realizar os testes práticos de caracterização dos pseudo- resistores, para validação da proposta comparativa e com a medição dos valores de resistência dos pseudo-resistores;
7. Por fim, modificações no segundo estágio do INA poderão ser realizadas de modo a torná-lo totalmente configurável. Padronizando o primeiro estágio diferencial para um ganho fixo de 40 dB, e o segundo estágio single-ended para ser ajustado de acordo com as características do biosinal a ser condicionado. Para tal, pode-se fazer o uso de chaves que serão responsáveis pela comutação de ganhos e frequências de corte referentes a cada biopotencial;
8. Podem ser também adicionados ao sistema, blocos de auto-zero ou choppers, obje- tivando a redução ainda maior do ruído.
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