Progetto di un amplificatore da strumentazione CMOS con consumo e rumore programmabili

In questo lavoro di tesi è stato progettato un amplificatore da strumentazione capace di interfacciarsi a diverse tipologie di sensori al fine di implementare in un unico microsistema integrato sia le strutture di sensing sia l’elettronica di condizionamento. L’amplificatore è stato realizzato in tecnologia CMOS mediante il processo BCD6s della STMicroelectronics. La progettazione full-custom ha comportato la scelta della topologia, il dimensionamento dei dispositivi, la simulazione dell’intero sistema e il layout delle celle che compongono l’InAmp. La scelta di due possibili configurazioni di consumo e di rumore permette di coprire diverse esigenze a seconda dell’applicazione. Per ridurre il rumore introdotto dal sistema alle frequenze di interesse (dalla DC fino ad un centinaio di hertz) è stato necessario adottare la modulazione chopper, una tecnica molto diffusa per la cancellazione dell’offset e del rumore flicker. La topologia utilizzata per l’InAmp prevede la cascata di due stadi integratori G_m/C chiusi in reazione in modo tale da ottenere una funzione di trasferimento passa basso del secondo ordine di tipo Butterworth (con frequenza di taglio uguale a 200 Hz). Il guadagno, determinato dalla rete di feedback attraverso un partitore resistivo, è stato fissato al valore di 201. Per aumentare la precisione sul guadagno abbiamo adottato la tecnica “port swapping” nel modulatore di ingresso per ridurre l’errore provocato dalle resistenze di sorgente e dalle capacità di ingresso, e utilizzato un modulatore di feedback per evitare che un mismatch tra le resistenze in reazione generi un segnale differenziale indesiderato in ingresso al sistema. Nella configurazione a basso consumo di potenza il rumore dovuto all’InAmp è pari a 20 nV/√Hz e la corrente assorbita risulta di 171.5 µA. Nella configurazione ad alto consumo di potenza si ha una migliore prestazione sul rumore con un valore di 13 nV/√Hz, a discapito della corrente assorbita che risulta maggiore intorno a 456.5 µA. Un’innovazione introdotta nell’amplificatore proposto consiste nell’inserimento di un circuito di controllo del modo comune del segnale di feedback, necessario per il corretto funzionamento dell’InAmp in un range della tensione di modo comune di ingresso che va da 0.7 V fino a 2.2 V. La dinamica differenziale di ingresso varia da -6 mV a +6 mV. L’area occupata dall’intero sistema è stata stimata intorno a 1125 x 620 µm². Lo sviluppo futuro prevede il layout finale con il placing delle celle ed il relativo routing dei collegamenti e la fabbricazione del chip per la realizzazione di un flussimetro termico integrato