A fully-differential CMOS instrumentation amplifier for bioimpedance-based IoT medical devices

Abstract

Se presenta la implementación de un amplificador de instrumentación (IA) totalmente diferencial (FD), basado en realimentación indirecta de corriente (ICF) y orientado a medidas de impedancia eléctrica en un escenario biomédico del Internet de las Cosas (IoT). El IA consta de dos transconductores FD, para procesar la señal de entrada y realimentar la señal de salida, una etapa sumadora, utilizada para sumar ambas contribuciones y generar la señal de realimentación de corriente correctora, y una red de realimentación en modo común, que controla el nivel de DC en los nodos de salida del circuito. Los transconductores están formados por una resistencia de conversión de tensión a corriente y dos amortiguadores de tensión, que se basan en una supercélula seguidora de fuente para mejorar la respuesta global del circuito. Como resultado, se obtiene una estructura compacta de una sola etapa, adecuada para conseguir un gran ancho de banda y un bajo consumo. El FD ICF IA se ha diseñado y fabricado en tecnología CMOS de 180 nm para funcionar con una alimentación de 1,8 V y proporcionar una ganancia nominal de 4 V/V. Los resultados experimentales muestran una ganancia en tensión de 3,78 +/-0,06 V/V, un BW de 5,83 MHz, una CMRR en DC en torno a 70dB, un consumo de corriente DC de 266,4 A y una ocupación del área de silicio de 0,0304 mm2.

The implementation of a fully-differential (FD) instrumentation amplifier (IA), based on indirect current feedback (ICF) and aimed to electrical impedance measurements in an Internet of Things (IoT) biomedical scenario, is presented. The IA consists of two FD transconductors, to process the input signal and feed back the output signal, a summing stage, used to add both contributions and generate the correcting current feedback signal, and a common-mode feedback network, which controls the DC level at the output nodes of the circuit. The transconductors are formed by a voltage-to-current conversion resistor and two voltage buffers, which are based on a super source follower cell in order to improve the overall response of the circuit. As a result, a compact single-stage structure, suitable for achieving a high bandwidth and a low power consumption, is obtained. The FD ICF IA has been designed and fabricated in 180 nm CMOS technology to operate with a 1.8-V supply and provide a nominal gain of 4 V/V. Experimental results show a voltage gain of 3.78 +/-0.06 V/V, a BW of 5.83 MHz, a CMRR at DC around 70dB, a DC current consumption of 266.4 A and a silicon area occupation of 0.0304 mm2.