Amplificador de Ganho Variável Controlado por Razão Cíclica
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1 Amplificador de Ganho Variável Controlado por Razão Cíclica DC - VGA (Duty-cycle Controlled Variable-Gain Amplifier) Candidato ao título de Mestre: Roddy Alexander Romero Antayhua roddy.romero@ieee.org Orientador: Fernando Rangel de Sousa rangel@ieee.org
2 Aplicado... W B A N ireless ody rea etwork 2
3 Agenda Introdução 1a parte: projeto do DC-VGA O circuito; Projeto e resultados; Futuras melhorias. 2a parte: prova do conceito Conclusões 3
4 Introdução 4
5 Introdução Sistema de aquisição e processamento 5
6 Introdução Estágio analógico de entrada (AFE) 6
7 Amplificadores de ganho variável (VGA) Introdução VGA 7
8 Introdução Amplificadores de ganho variável (VGA) PGA 8
9 Amplificadores de ganho variável (VGA) Introdução VGA 9
10 Amplificadores de ganho variável (VGA) PGA Introdução VGA 10
11 Amplificadores de ganho variável (VGA) PGA DC-VGA Introdução VGA 11
12 Amplificadores de ganho variável (VGA) PGA DC-VGA Introdução VGA Resolução alta e controle digital!! 12
13 1a parte: projeto do DC-VGA 13
14 Projeto do DC-VGA O circuito Receptor superregenerativo (Armstrong 1922) 14
15 Projeto do DC-VGA O circuito Amplificador superregenerativo (Pala-Shonwalder 2009) 15
16 Projeto do DC-VGA O circuito Amplificador superregenerativo V o ( s) 1 H ( s)= =A s + 1/ τ V i n (s ) A= 1 C A RG τ=c A ( RG / / Rl ) C A Rl (Pala-Shonwalder 2009) 16
17 Projeto do DC-VGA O circuito Amplificador superregenerativo V o (t )=V i n (t ) h(t ) t τ h (t)= A e u (t) (Pala-Shonwalder 2009) 17
18 Projeto do DC-VGA O circuito Amplificador superregenerativo 18
19 Projeto do DC-VGA O circuito Conceito do amplificador proposto 19
20 Projeto do DC-VGA O circuito Conceito do amplificador proposto G=e t τ τ= C A Rl 20
21 Projeto do DC-VGA O circuito Conceito do amplificador proposto G=e t τ Independe de RG e a amostragem é diferencial!!! τ= C A Rl 21
22 Projeto do DC-VGA O circuito Amplificador proposto: DC-VGA Inicialização 22
23 Amplificador proposto: DC-VGA Projeto do DC-VGA O circuito Amostragem 23
24 Amplificador proposto: DC-VGA Projeto do DC-VGA O circuito Amplificação 24
25 Projeto do DC-VGA O circuito Amplificador proposto: DC-VGA?? 25
26 Projeto do DC-VGA O circuito Amplificador proposto: DC-VGA 26
27 Projeto do DC-VGA O circuito Diagrama esquemático do DC-VGA Auto-Zero [Enz1996] 27
28 Projeto do DC-VGA O circuito Diagrama esquemático do DC-VGA 28
29 Projeto do DC-VGA O circuito Diagrama esquemático do DC-VGA 29
30 Projeto do DC-VGA O circuito Diagrama esquemático do DC-VGA + VC AZ - 30
31 Projeto do DC-VGA O circuito Diagrama esquemático do DC-VGA + VC AZ - 31
32 Projeto do DC-VGA O circuito Diagrama esquemático do DC-VGA + VC AZ 32
33 Projeto do DC-VGA O circuito Diagrama esquemático do DC-VGA + VC AZ 33
34 Especificações de projeto Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Faixa de ganho 0 a 40 db Largura de banda > 1 khz Faixa ± 400 mv Ruído equivalente na entrada 100 μvrms 0,1 mm2 Área Consumo de potência 10 μw Tensão de alimentação 1,8 V 34
35 Procedimento de projeto Seleção do CA Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Seleção do Gm Projeto do OTA Projeto das chaves não Simulações OK sim Fim 35
36 Considerações no projeto do DC-VGA Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Frequência de operação (Fclk) deve respeitar cada um dos tempos necessários de cada fase; 36
37 Considerações no projeto do DC-VGA Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Frequência de operação (Fclk) deve respeitar cada um dos tempos necessários de cada fase; Capacitor dualmim disponíveis; 37
38 Considerações no projeto do DC-VGA Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Frequência de operação (Fclk) deve respeitar cada um dos tempos necessários de cada fase; Capacitor dualmim disponíveis; O ruído do total é maioritariamente térmico (~kbt/ca); 38
39 Considerações no projeto do DC-VGA Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Frequência de operação (Fclk) deve respeitar cada um dos tempos necessários de cada fase; Capacitor dualmim disponíveis; O ruído do total é maioritariamente térmico (~kbt/ca); O ruído de baixa frequência é eliminado pela técnica de AZ. 39
40 Procedimento de projeto Seleção do CA Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Seleção do Gm Projeto do OTA!!! Projeto das chaves não Simulações OK sim Fim 40
41 Considerações no projeto do OTA Alta faixa linear de entrada e saída; Projeto do DC-VGA Projeto e resultados 41
42 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Considerações no projeto do OTA Alta faixa linear de entrada e saída; Dupla entrada para AZ; 42
43 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Considerações no projeto do OTA Alta faixa linear de entrada e saída; Dupla entrada para AZ; Valor da transcondutância de acordo com ganho e Fclk; 43
44 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Considerações no projeto do OTA Alta faixa linear de entrada e saída; Dupla entrada para AZ; Valor da transcondutância de acordo com ganho e Fclk; Transcondutância programável; 44
45 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Considerações no projeto do OTA Alta faixa linear de entrada e saída; Dupla entrada para AZ; Valor da transcondutância de acordo com ganho e Fclk; Transcondutância programável; Consumo representativo no circuito; 45
46 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Considerações no projeto do OTA Alta faixa linear de entrada e saída; Dupla entrada para AZ; Valor da transcondutância de acordo com ganho e Fclk; Transcondutância programável; Consumo representativo no circuito; Impedância de saída alta; 46
47 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Considerações no projeto do OTA Alta faixa linear de entrada e saída; Dupla entrada para AZ; Valor da transcondutância de acordo com ganho e Fclk; Transcondutância programável; Consumo representativo no circuito; Impedância de saída alta; Relação de frequência de canto com Fclk. 47
48 Considerações no projeto das chaves Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Valor do Ron;. 48
49 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Considerações no projeto das chaves Valor do Ron; Dimensionamento prevendo injeção de carga; 49
50 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Considerações no projeto das chaves Valor do Ron; Dimensionamento prevendo injeção de carga; Layout cuidadoso de algum dos pares. 50
51 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Diagrama esquemático do OTA 51
52 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Linearidade do OTA 52
53 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Gm programável 53
54 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Ron das chaves 54
55 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Layout do OTA e chaves 55
56 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Layout do DC-VGA 56
57 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Resposta do DC-VGA 57
58 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Resposta do DC-VGA 58
59 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Ganho vs DC 59
60 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Ganho vs DC 60
61 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Ganho vs DC 61
62 Comparação de resultados Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Faixa de ganho 0 a 40 db 0 a 45 db Largura de banda > 1 khz 1,25 khz Faixa ± 400 mv ± 450 mv Ruído equivalente na entrada 100 μvrms 32 μvrms(*) 0,1 mm2 0,08 mm2 10 μw 6,4 μw Área Consumo de potência (*) Estimado 62
63 Comparação de resultados Parâmetros [8] [9] [17] [10] [16] DC-VGA 14 a 34 6 a 20,8-6 a 18,5 16 a a 62 0 a Contínua Contínua Largura de banda [Hz] ,8 k k 1,25 k Área [mm2] 0,32 0,05 <0,3 0,25 0,064 0,08 - <0,5 <2, ,4 Tensão de alimentação [V] ± 1, ,7 ± 1,5 1,8 Processo de fabricação [um] 0,5 0,35 0,35 0,18 0,35 0,18 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Faixa de ganho [db] Resolução Consumo de potência [uw] [8] Ng 2006 [9] Zou 2009 [17] Liew 2009 [10] Yan 2010 [16] Rieger
64 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Fotografia do chip 64
65 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Fotografia do chip 65
66 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Onda medida 66
67 Projeto do DC-VGA Projeto e resultados Onda medida 67
68 Futuras melhorias Incluir SH e buffers de teste no ckt. integrado Existe uma grande nevesidade de conhecimento de ESD Caraterizar dualmim Fazer versao com dualmim não sobreposto Prever teste de AZ... Nao polarizar com correstes tao baixas! Dificultades com medida apacitancias parásitas dos buffers de Maior cuidado layout Mixed-signal 68
69 2a parte: Prova do conceito 69
70 Apliacação do DC-VGA Por qué ECG com dois eletrôdos? 70
71 Apliacação do DC-VGA Prototipo discreto implementado 71
72 Apliacação do DC-VGA Controle do sinal de modo comum [Spinelli2005] 72
73 Apliacação do DC-VGA ECG adquirido 73
74 Apliacação do DC-VGA Teste do AGC 74
75 Conclusões 75
76 Conclusões Realizou-se o projeto de um VGA controlado por razão cíclica de um sinal digital; O prototipo discreto comprovou que o principio superregenerativo é adequado para a amplificação de sinais biopotenciais; O projeto foi baseado nas experiências de uma aplicação real, o qual foi essencial para o aprendizado; Espera-se que este trabalho abra a possibilidade da criação de uma gama de outros circuitos implementados sob as mesma técnica, como por exemplo amplificadores de instrumentação, filtros chaveados e conversores A/D. 76
77 Amplificador de Ganho Variável Controlado por Razão Cíclica O T I! U O M D DC- VGA A G I R (Duty-cycle Controlled Variable-Gain Amplifier) OB Candidato ao título de Mestre: Roddy Alexander Romero Antayhua roddy.romero@ieee.org Orientador: Fernando Rangel de Sousa rangel@ieee.org
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