Wide-Bandwidth Electronically Programmable CMOS Instrumentation Amplifier for Bioimpedance Spectroscopy

Abstract

Se propone un amplificador de instrumentación (AI) con sintonización continua de la ganancia de tensión, adecuado para operar en un amplio rango de frecuencias y orientado a la espectroscopia de bioimpedancia eléctrica. El principio de funcionamiento del IA se basa en la realimentación indirecta de corriente (ICF), que conduce a un ancho de banda casi constante independientemente del valor de la ganancia de tensión programada. El uso de seguidores de tensión mejorados en los transconductores necesarios en la técnica ICF permite lograr una implementación compacta con un ancho de banda compatible con las aplicaciones de espectroscopia de bioimpedancia. La estrategia de sintonización se basa en un espejo de corriente continuamente programable que puede ajustarse electrónicamente mediante una corriente de control. El IA ha sido diseñado y fabricado en tecnología CMOS de 180 nm para operar con una alimentación única de1,8-V. La caracterización experimental de los prototipos de silicio mostró un rango de programabilidad de ganancia superior a 45dB, entre -4.6 dB y 41.2dB, un BW en torno a 3MHz y una CMRR máxima en DC superior a 86dB, todo ello con un consumo mínimo de corriente de 144.8 uA y una ocupación de área de 0.0196 mm2.

An instrumentation amplier (IA) with continuous tuning of the voltage gain, suitable for operation over a wide frequency range, and aimed to electrical bioimpedance spectroscopy, is proposed. The operation principle of the IA is based on indirect current feedback (ICF), which leads to an almost-constant bandwidth regardless of the value of the programmed voltage gain. The use of improved voltage followers in the transconductors required in the ICF technique allows achieving a compact implementation with a bandwidth compatible with bioimpedance spectroscopy applications. The tuning strategy relies on a continuously programmable current mirror that can be electronically adjusted by means of a control current. The IA has been designed and fabricated in 180 nm CMOS technology to operate with a1.8-V single supply. The experimental characterization of the silicon prototypes showed a gain programmability range higher than 45dB, between -4.6 dB and 41.2dB, a BW around 3MHz, and a maximum CMRR at DC higher than 86dB, all this with a minimum current consumption of 144.8 uA and an area occupation of 0.0196 mm2.