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Tesi etd-04152020-031838


Thesis type
Tesi di laurea magistrale
Author
ASIRI, STEFANO
URN
etd-04152020-031838
Title
Progetto di amplificatori da strumentazione CMOS a larga dinamica mediante tecniche constant-Gm ed equalizzazione del modo comune di ingresso
Struttura
INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE
Corso di studi
INGEGNERIA ELETTRONICA
Supervisors
relatore Bruschi, Paolo
correlatore Piotto, Massimo
tutor Ria, Andrea
Parole chiave
  • instrumential amplifier
  • equalizzazione
  • constant-gm
  • indirect current feedback amplifier
  • in-amp
  • amplificatore da strumentazione
  • constant gm
Data inizio appello
05/05/2020;
Consultabilità
Secretata d'ufficio
Riassunto analitico
In questa tesi viene presentata l'architettura di un amplificatore da strumentazione pensato per essere utilizzato all'interno di sistemi mixed-signal destinati all'ambito sensing. Nello specifico il dispositivo è progettato per comporre l'AFE (analog front end), ovvero il blocco che ha il compito di adattare il debole segnale fornito dal sensore in modo renderlo digitalizzabile per mezzo dell'ADC. L'architettura di tale amplificatore è di tipo ICFIA (Indirect Current Feedback Instrumentation Amplifier), quindi caratterizzata da un alto valore di CMRR (>120 dB). Questo aspetto lo rende particolarmente adatto per amplificare deboli tensioni differenziali senza che la componente di modo comune alteri significativamente l'informazione. Il dispositivo ha una dinamica d'ingresso rail-to-rail e due configurazioni di guadagno: Ain-amp = 100 e Ain-amp = 5 rendendolo in grado di interfacciarsi con una vasta gamma di sensori. All'interno dell'amplificatore viene fatto uso della tecnica SCPS (synchronous chopping and port swapping), ciò allo scopo di ridurre la componente di rumore a bassa frequenza, l'errore di guadagno dovuto al mismatching tra i transconduttori che compongono il primo stadio dell'In-Amp e garantire un'alta resistenza differenziale d'ingresso. L'utilizzo di questa tecnica introduce due effetti indesiderati: aumenta la corrente di polarizzazione d'ingresso e genera ripple a una frequenza pari a quella di modulazione fck = 20 kHz. Il primo problema viene risolto dalla presenza di un equalizzatore tale da imporre l'inseguimento della tensione di modo comune in ingresso da parte segnale di feedback interno, mentre il secondo dalla caratteristica passa-basso con frequenza di taglio f(-3dB) = 2 kHz. In questo lavoro vengono evidenziati quelle peculiarità che limitano le specifiche di precisione sul guadagno ingresso-uscita Ain-amp e sulla frequenza di cut-off fc al variare del modo comune d'ingresso. Per ottenere un miglioramento sotto questi aspetti, vengono presentate alcune possibili soluzioni che prevedono l'applicazione di una modulazione chopper all'interno dell'equalizzatore e l'utilizzo di una tecnica constant-Gm nel preamplificatore che compongono l'ICFIA. Infine l'efficacia di queste proposte è valuta per mezzo di simulazioni numeriche. Il progetto è pensato per una produzione con processo UMC 0.18um e sviluppato in ambiente Cadence Virtuoso.
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