Current Mode Instrumentation Amplifier with Rail-to-Rail Input and Output

This dissertation is aimed at the development of a current mode instrumentation amplifier (CMIA) with a high common mode input range. This characteristic is obtained due to the rail-to-rail operational amplifiers (opamps). These opamps are built with rail-to-rail differential amplifiers as input stages, and with cascode-based output stages, which are able to copy its current by adding identical branches and connecting their gates without the voltage degradation as the known CMIA topologies. The main contribution of this work is the development of a rail-to-rail current mode instrumentation amplifier, analyzing the pros and cons of this topology. The functionality of the proposed topology is shown through measured results of a manufactured integrated circuit. This first prototype, although it was operated in a large input common mode range, presented insufficient values of CMRR (Common Mode Rejection Ratio) and VOS (Offset voltage). These two characteristics were studied and modeled, the instrumentation amplifier was re-designed, and simulated results demonstrate important improvements.Esta dissertação tem como objetivo o desenvolvimento de um amplificador de instrumentação em modo corrente com uma ampla faixa de entrada em modo comum. Esta característica é obtida graças ao emprego de estágios de amplificação rail-to-rail na entrada e a geração do sinal de saída através do espelhamento da corrente diretamente dos gates dos transistores do estágio ao invés da alternativa clássica, onde espelhos são ligados em série e degradam a excursão do sinal de saída. Com esta proposta, é possível a implementação de ampops com entrada e saída rail-to-rail. A principal contribuição deste trabalho é analisar as vantagens e desvantagens da utilização destas soluções na implementação de um amplificador de instrumentação com entrada rail-to-rail. A funcionalidade da topologia proposta é demonstrada através dos resultados medidos de um circuito integrado fabricado. Este primeiro protótipo, apesar do bom funcionamento em toda a faixa de entrada em modo comum, apresentou valores insatisfatórios de CMRR (Common Mode Rejection Ratio) e de VOS (Tensão de offset), o que levou a um aprofundamento no estudo e modelagem destas características. A partir disto, o circuito foi re-projetado e os resultados de simulação demonstram melhorias bastante significativas em suas características