Tíulo Converidor de Circuios Puene a Modulación por Inervalo de Pulso (PIM) para Sensores de Presión Piezoresisivos con Bajo Consumo de Poencia Auores Jorge amírez y Edgar Charry Laboraório de Sisemas Inegráveis Escola Poliécnica da Universidade de São Paulo LSI-DMI-EPUSP, Av. Professor Luciano Gualbero-ravessa 3, No.158 CEP 05508-900 São Paulo, SP, Brasil. e-mail: joram@lsi.usp.br, charry@lsi.usp.br Persona de Conaco Jorge amírez e-mail:joram@lsi.usp.br, jorambel@yahoo.com Absrac A bridge-o-pulse-inerval-modulaion (PIM) converer for piezoresisive pressure sensors is presened for use as a remoe signal condiioner for elemery sysems. The archiecure will be used wih an IMEMS (Inegraed Micro-Elecromechanical Sysem), and he proposed circui can be used for differen pressure sensors configuraions, even a single piezoresisor. An especial operaional amplifier, wih low power consumpion, was designed. The converer includes a zero adjusmen sage, performed by adding a volage o he oupu volage of he bridge already amplified and is value can be adjused by rimming a resisive divisor. A emperaure compensaion is performed powering he sensor by a curren source wih a pre-defined emperaure coefficien of is ransconducance, which should have an absolue value close and opposie o he resulan TCS. The circui has been developed in 0.8-µm CMOS echnology, was fabricaed and successfully esed. Due o he emperaure compensaion implemened, he resulan TCS of he pressure sensor can be compensaed up o 250 ppm/ C. Experimenal resuls of he converer are presened and hey agree wih he heoreical ransfer funcion. esumen Ese rabajo presena un converidor de circuios ipo puene a Modulación por Inervalo de Pulso para sensores de presión piezoresisivos y que será usado como acondicionador remoo de señales en sisemas de elemería. La arquiecura será usada con un IMEMS (Inegraed Micro-Elecromechanical Sysem) y el circuio propueso puede ser usado con diferenes configuraciones de sensores de presión, incluyendo un solo piezoresisor. Fue diseñado un amplificador operacional especial, con bajo consumo de poencia. El converidor incluye una eapa de ajuse de cero, implemenada mediane la adición de una ensión a la ensión de salida del puene ya amplificada y que puede ser ajusada variando un divisor resisivo. La compensación de emperaura se realiza alimenando el sensor con una fuene de corriene cuya ransconducancia iene un coeficiene érmico predefinido y que debe ser cercano en valor y de signo opueso al TCS resulane. El circuio fue diseñado usando una ecnología CMOS de 0.8-µm, fabricado y caracerizado saisfacoriamene. Debido a la compensación de emperaura implemenada, el TCS resulane del sensor de presión puede ser compensado hasa 250 ppm/ C. Se presenan los resulados experimenales del converidor y los mismos coinciden con la función de ransferencia eórica.
Inroducción Los sensores de presión ienen imporanes aplicaciones biomédicas debido a que la medición de la presión en el cuerpo humano es esencial para evaluar las condiciones de funcionamieno de muchos órganos. El desarrollo de microsensores de presión monolíicamene inegrados, uilizando ecnología MEMS (Micro Elecro-Mechanical Sysems), ha permiido la creación de sisemas de medición de presión capaces de implanarse en el cuerpo humano por largos períodos de iempo. Esos sisemas ienen requerimienos especiales como pequeño amaño, ala precisión, buena esabilidad en largos períodos de iempo y bajo consumo de poencia. Ese rabajo presena la arquiecura de un converidor de circuios ipo puene a modulación por inervalo de pulso (PIM- Pulse Inerval Modulaion) para ser usado con sensores de presión piezoresisivos, siendo un subsisema de un sisema de medición inalámbrico. El circuio propueso puede ser usado con diferenes configuraciones de sensores de presión piezoresisivos, incluyendo aquellas formadas por un solo piezoresisor. La arquiecura usa el principio de funcionamieno de un converidor ensión-período descrio en [1] al que se le ha incorporado la compensación de emperaura y los ajuses de parámeros ípicos de los sensores piezoresisivos. Esos ajuses son realizados por componenes exernos asociados al circuio inegrado en un circuio híbrido. Considerando la complejidad del sisema de medición inalámbrico, el converidor fue diseñado y mandado a fabricar separadamene y sus resulados son presenados aquí. Descripción del circuio A. Descripción del converidor La arquiecura diseñada se muesra en la figura 1 e incluye el converidor, dos fuenes de corriene y el sensor de presión propueso para ser uilizado en el sisema de medición inalámbrico. El converidor esá formado por un amplificador de insrumenación, una eapa de ajuse de cero, un comparador, un inegrador Miller, un inversor y un monoesable. Las fuenes de corriene (I 1, I 2 ) alimenan el sensor de presión, poseen un coeficiene érmico predeerminado para compensar el coeficiene érmico de la sensibilidad (TCS) y presenan una variación lineal con VDD para eliminar la dependencia con VDD de la señal de salida. El sensor incluye dos piezoresisores sensibles a la presión ( a, p ) y dos piezoresisores pasivos ( b, r ) con el objeivo de minimizar el offse usando una écnica de layou [2]. A coninuación se presena una breve descripción del funcionamieno del circuio, basada en las principales señales del converidor presenadas en la figura 2. Con presión aplicada, la ensión de salida del sensor esá dada por: V ( + ) p = I1 p p y Vr = I2 r, (1) donde p es el incremeno de p debido a la presión aplicada. Si los inerrupores S 1, S 2, S 3 y S 4 esán en la posición 1, con presión aplicada o no y debido al efeco de la ensión V Z, la salida de la eapa de ajuse de cero (V O ) va a un valor alo y la salida del comparador (V OC ) va a HIGH. El inversor fuerza a la enrada del inegrador a ir a cero y como su enrada de referencia se encuenra a V DD /2, hay una rampa posiiva a la salida del inegrador (V OI ). Cuando (V OI ) va a un nivel alo, la salida del comparador va a LOW y la salida del inversor va a VDD, inviriendo la pendiene de la rampa de la salida del inegrador y cambiando V O a un nivel bajo porque S 1, S 2, S 3 y S 4 conmuan a la posición 2. Como V O fue a un nivel alo la salida del comparador va a HIGH y odo el circuio vuelve al esado inicial. Esa secuencia se repie indefinidamene. V DD I 1 I 2 a b 1 S 1 2 1 S 2 2 OA 1 1 V M V Z 1 2 1 2 S 3 4 S 4 5 3 OA 3 V O V OC C C i i INV PIM para el Transmisor p 2 r Sensor OA 2 6 V OI OAI V DD /2 Figura. 1. Diagrama del converidor con el sensor de presión y las fuenes de corriene.
V M V MH P = 0 P > 0 V ML V O V OH V OL V OI V OIH V OIL V OC V PIM Figura 2. Principales señales del converidor. Cuando no exise presión aplicada la salida del puene es cero, la salida del amplificador de insrumenación (V M ) es cero y V O depende solamene de una ensión añadida para alcanzar el ajuse del cero (V Z ). Cuando hay presión aplicada, V M es diferene de cero y oscila enre un nivel alo y uno bajo, dependiendo de la conmuación de S 1 y S 2 y V O depende de V Z y de V M. B. Análisis del circuio La ecuación de ransferencia del converidor esá dada por la relación enre el período de la señal de salida (T OUT ) y el incremeno de la resisencia debido a la presión aplicada. T OUT es el iempo oal que demora V OI en alcanzar el nivel alo de V O y descender hasa su nivel bajo, por ano para obener el valor del período debe obenerse el valor de la diferencia enre ambos niveles. La ensión V M depende de la posición de S 1 y S 2 ; por ano cuando ambos esán en la posición 1, V M alcanza su nivel alo y cuando esán en la posición 2, V M alcanza su nivel bajo. La diferencia de las ensiones V OH V OL depende de V MH, V ML y V Z. En la eapa de ajuse de cero, V Z es adicionada a V MH y subsraída de V ML y como 3 = 4 = 5 = 6, la diferencia V OH V OL se expresa como ( Vp Vr ) + 2 VZ 2 1 VOH VOL = 1+. (2) 2 La diferencia V p V r puede ser obenida de (1) y puede ser expresada por V Cuando se realiza el ajuse de la ensión de offse, I 1 p = I 2 r y enonces V I I I p r = 1 p + 1 p 2 r. (3) V p Vr = I1 p. (4)
Como las fuenes de corriene que alimenan al sensor ienen una dependencia lineal con V DD, I 1 puede ser susiuida en (4) por Gm 1 V DD y V Z puede ser susiuida en (2) por K Z V DD por ser una ensión obenida de un divisor de V DD y enonces 2 1 VOH VOL = 1+ Gm1 VDD p + 2 K Z VDD. (5) 2 Finalmene T OUT puede ser obenido de la ecuación de la pendiene de salida de un inegrador Miller, dada por VOI VDD = 2 ici. (6) Susiuyendo por T OUT /2 y V OI por V OH V OL dado en (5), T OUT puede ser expresado como TOUT 2 1 = 4 i Ci 1+ Gm1 p + 8 i Ci K Z, (7) 2 donde el primer érmino represena la dependencia de T OUT con la presión y el segundo érmino, que puede ser ajusado por K Z, es el período de referencia cuando la presión aplicada es cero. Ajuse del circuio y compensación de emperaura A. Sensibilidad y TCS El ajuse de la sensibilidad se realiza mediane la selección de la consane C del inegrador, deerminada por los valores de los componenes exernos i y C i. El coeficiene érmico de i y C i debe ser convenienemene seleccionado para obener una consane de iempo con bajo coeficiene érmico. Una buena compensación del TCS se puede alcanzar alimenando el sensor con corriene en vez de con ensión debido a la influencia del coeficiene érmico de los piezoresisores, opueso al coeficiene érmico del coeficiene piezoresisivo. En ese rabajo se propone una mejor compensación alimenando el sensor con una fuene de corriene cuya ransconducancia iene un coeficiene érmico predefinido y su valor debe ser cercano y de signo conrario al valor resulane del TCS del sensor. B. Eapa de ajuse de cero Cuando se uilizan converidores ensión-período o ensión-frecuencia en circuios medidores de presión exise un problema a solucionar: el valor de la señal de salida para cuando la presión aplicada es cero. Una de las formas de resolver ese problema es eviar el esado de balance del puene o inroducir un desbalance exerno que poseriormene debe ser considerado [1,3]. En ese caso, como el circuio esá diseñado para ser usado por diferenes configuraciones de sensores de presión, ese problema fue solucionado adicionando una ensión (V Z ) a la salida del puene después de ser amplificada y su valor puede ser seleccionado ajusando un divisor resisivo. En la calibración se realiza primero el ajuse de la sensibilidad y poseriormene el valor de la salida para la condición de presión aplicada igual a cero. C. Tensión de offse y TCO La ensión de offse en los sensores de presión es deerminada principalmene por la diferencia enre los piezoresisores. En ese caso, como cada rama del puene es alimenada por fuenes de corrienes que pueden presenar pequeñas diferencias en sus valores, exise una fuene adicional de offse. Inicialmene los érminos I 1 p e I 2 r presenados en (3) son diferenes y para minimizar la ensión de offse I 2 se ajusa hasa hacer I 1 p = I 2 r. La compensación del TCO no es implemenada en esa arquiecura debido a que como la ensión de offse es ajusada a un valor muy bajo, el efeco de su coeficiene érmico es despreciable.
ealización Los piezoresisores del sensor de presión que será usado en el sisema de medición inalámbrico ienen un valor de 2 kω, las fuenes de corriene que alimenan el sensor fueron diseñadas para un valor nominal de 100 µa y la máxima ensión en la enrada del amplificador de insrumenación es 150mV. Dado el bajo nivel de la señal y los requerimienos de bajo consumo de poencia fue diseñado un amplificador de res eapas con alas presaciones, mosrado en la figura 3. Los ransisores en la eapa de enrada diferencial son PMOS, muy anchos y polarizados en la región de inversión débil para minimizar el ruido equivalene de enrada, garanizar el rango de ensión de modo común y obener una ala ganancia de lazo abiero con mínima corriene de polarización. La eapa de salida fue diseñada rail-o-rail polarizada en clase AB y con un circuio de conrol del ipo feedforward para lograr un uso eficiene de la ensión y la corriene de alimenación [4]. En la Tabla I se presenan las principales especificaciones del amplificador operacional. Las especificaciones del comparador y el inversor fueron seleccionadas para saisfacer el nivel de precisión requerido. Como el sensor de presión es alimenado con corriene, su TCS resulane es alrededor de +500 ppm/ C y para mejorar la compensación alcanzada fue diseñada una fuene de corriene con un coeficiene érmico predefinido. En la figura 4 se presena el esquema de la fuene de corriene. El coeficiene érmico de la fuene es deerminado por el coeficiene érmico de su ransconducancia (Gm), que esá dado por 1 X TCGm = (8) X T y puede ser ajusado escogiendo adecuadamene el coeficiene érmico de X. Figura 3. Diagrama del amplificador operacional. TABLA I PINCIPALES ESPECIFICACIONES DEL AMPLIFICADO OPEACIONAL Parámero Valor Unidad Ganancia de lazo abiero 100 db Frecuencia para ganancia uniaria 3.2 MHz Margen de fase 60 Degree Tensión de alimenación 3 V Consumo de corriene de polarización 14 µa Slew-rae 0.9 V/µs CM 80 db PS 80 db
esulados El circuio fue fabricado usando la ecnología CMOS-CYB-0.8µm de la AMS y probado con resulados saisfacorios. En la Fig. 5 se muesra una microfoografía del circuio inegrado y en la Tabla II se muesran los resulados experimenales de las mediciones en las fuenes de corrienes I 1 e I 2 para una muesra de 8 circuios de prueba. El coeficiene érmico obenido es de alrededor de 750 ppm/ C, por ano el TCS resulane del sensor de presión puede ser compensado hasa un valor de 250 ppm/ C. En la Fig. 6 se muesra el gráfico experimenal de la función de ransferencia del converidor, donde el valor de T OUT para cuando la presión aplicada es cero fue ajusado a 1.66ms y la sensibilidad a 33,5 µs/ω. Esos resulados esán en correspondencia con la función de ransferencia eórica expresada en (7). Figura 4. Diagrama de la fuene de corriene. Figura 5. Microfoografía del circuio fabricado.
No. C.I. TABLE II EXPEIMENTAL ESULTS OF THE CUENTS SOUCES I 1 (µa) TCI 1 I 2 (µa) 27 C 70 C (ppm/ C) 27 C 70 C 1 99.85 96.62-735 100.24 96.74-794 2 99.32 96.26-700 99.33 96.26-702 3 97.75 94.57-739 98.05 94.86-739 4 97.2 94.09-727 97.59 94.45-731 5 100.04 96.27-856 100.38 97.22-715 6 97.80 94.61-741 97.72 94.51-747 7 104.74 101.19-770 105.03 101.48-768 8 100.35 96.97-765 99.63 96.34-750 TCI 2 (ppm/ C) 7 6 5 T OUT (ms) 4 3 2 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 (Ω) Figura 6. Gráfico de la función de ransferencia del converidor obenido experimenalmene. Conclusiones Fue diseñado y probado exiosamene un converidor de circuios ipo puene a PIM. El converidor iene incorporada la compensación de emperaura en su propia arquiecura, lo que es esencial para aplicaciones con sensores de presión piezoresisivos. Esa arquiecura permie ambién el ajuse de la señal de salida cuando la presión aplicada es cero y maniene las venajas del converidor descrio en [1], como la no dependencia de la fuene de alimenación y la cancelación de la ensión de offse de los operacionales y su deriva érmica. Una mejor compensación puede ser alcanzada seleccionando el coeficiene érmico de las fuenes de corrienes lo más cercano posible al TCS resulane del sensor de presión. econocimieno Los auores agradecen el apoyo financiero brindado por CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimeno Cienífico e Tecnológico) y FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Esado de São Paulo). eferencias [1] J.B. Beguere, M.. Benbrahim, Z. Li, F.odes and J.P. Dom, Converers dedicaed o long-erm monioring of srain gauge ransducer, IEEE Journal of Solid-Sae Circuis, vol. 32, pp. 349-355, March 1997. [2] D.H. Prieo and E. Charry, Experimenal resuls of an implemened configuraion for low offse volage and is emperaure drif reducion in piezoresisive pressure sensors, Proc. Of Inernaional Comference on Microelecronics and Packaging, Campinas, SP Brazil, pp. 249-252, Augus 1999.
[3] J.H. Huijsing, G.A. van ossum and M. van der Lee, Two-wire bridge-o-frequency converer, IEEE Journal of Solid-Sae Circuis, vol. SC-22, pp. 343-349, June 1987. [4]. Hogervors and J.H. Huijsing, Design of low-volage, low-power operaional amplifier cells, Kluwer Academic Publishers, 1996, pp. 65-86.