Low Voltage Low Power Analogue Circuits Design

Disertační práce je zaměřena na výzkum nejběžnějších metod, které se využívají při návrhu analogových obvodů s využití nízkonapěťových (LV) a nízkopříkonových (LP) struktur. Tyto LV LP obvody mohou být vytvořeny díky vyspělým technologiím nebo také využitím pokročilých technik návrhu. Disertační práce se zabývá právě pokročilými technikami návrhu, především pak nekonvenčními. Mezi tyto techniky patří využití prvků s řízeným substrátem (bulk-driven - BD), s plovoucím hradlem (floating-gate - FG), s kvazi plovoucím hradlem (quasi-floating-gate - QFG), s řízeným substrátem s plovoucím hradlem (bulk-driven floating-gate - BD-FG) a s řízeným substrátem s kvazi plovoucím hradlem (quasi-floating-gate - BD-QFG). Práce je také orientována na možné způsoby implementace známých a moderních aktivních prvků pracujících v napěťovém, proudovém nebo mix-módu. Mezi tyto prvky lze začlenit zesilovače typu OTA (operational transconductance amplifier), CCII (second generation current conveyor), FB-CCII (fully-differential second generation current conveyor), FB-DDA (fully-balanced differential difference amplifier), VDTA (voltage differencing transconductance amplifier), CC-CDBA (current-controlled current differencing buffered amplifier) a CFOA (current feedback operational amplifier). Za účelem potvrzení funkčnosti a chování výše zmíněných struktur a prvků byly vytvořeny příklady aplikací, které simulují usměrňovací a induktanční vlastnosti diody, dále pak filtry dolní propusti, pásmové propusti a také univerzální filtry. Všechny aktivní prvky a příklady aplikací byly ověřeny pomocí PSpice simulací s využitím parametrů technologie 0,18 m TSMC CMOS. Pro ilustraci přesného a účinného chování struktur je v disertační práci zahrnuto velké množství simulačních výsledků.The dissertation thesis is aiming at examining the most common methods adopted by analog circuits' designers in order to achieve low voltage (LV) low power (LP) configurations. The capability of LV LP operation could be achieved either by developed technologies or by design techniques. The thesis is concentrating upon design techniques, especially the non–conventional ones which are bulk–driven (BD), floating–gate (FG), quasi–floating–gate (QFG), bulk–driven floating–gate (BD–FG) and bulk–driven quasi–floating–gate (BD–QFG) techniques. The thesis also looks at ways of implementing structures of well–known and modern active elements operating in voltage–, current–, and mixed–mode such as operational transconductance amplifier (OTA), second generation current conveyor (CCII), fully–differential second generation current conveyor (FB–CCII), fully–balanced differential difference amplifier (FB–DDA), voltage differencing transconductance amplifier (VDTA), current–controlled current differencing buffered amplifier (CC–CDBA) and current feedback operational amplifier (CFOA). In order to confirm the functionality and behavior of these configurations and elements, they have been utilized in application examples such as diode–less rectifier and inductance simulations, as well as low–pass, band–pass and universal filters. All active elements and application examples have been verified by PSpice simulator using the 0.18 m TSMC CMOS parameters. Sufficient numbers of simulated plots are included in this thesis to illustrate the precise and strong behavior of structures.

360 nW gate-driven ultra-low voltage CMOS linear transconductor with 1 MHz bandwidth and wide input range

A low voltage linear transconductor is introduced. The circuit is a pseudo differential architecture that operates with ±0.2V supplies and uses 900nA total biasing current. It employs a floating battery technique to achieve low voltage operation. The transconductor has a 1MHz bandwidth. It exhibits a SNR = 72dB, SFDR = 42dB and THD = 0.83% for a 100mVpp 10kHz sinusoidal input signal. Moreover, stability is not affected by the capacitance of the signal source. The circuit has been validated with a prototype chip fabricated in a 130nm CMOS technology.This work was supported in part by the Agencia Estatal de Investigacion/Fondo Europeo de Desarrollo Regional under Grant TEC2016-80396-C2. The work of Hector D. Rico-Aniles was supported by the Mexican Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologia for the through an Academic Scholarship under Grant 408946

Utilizing Unconventional CMOS Techniques for Low Voltage Low Power Analog Circuits Design for Biomedical Applications

Tato disertační práce se zabývá navržením nízkonapěťových, nízkopříkonových analogových obvodů, které používají nekonvenční techniky CMOS. Lékařská zařízení na bateriové napájení, jako systémy pro dlouhodobý fyziologický monitoring, přenosné systémy, implantovatelné systémy a systémy vhodné na nošení, musí být male a lehké. Kromě toho je nutné, aby byly tyto systémy vybaveny baterií s dlouhou životností. Z tohoto důvodu převládají v biomedicínských aplikacích tohoto typu nízkopříkonové integrované obvody. Nekonvenční techniky jako např. využití transistorů s řízeným substrátem (Bulk-Driven “BD”), s plovoucím hradlem (Floating-Gate “FG”), s kvazi plovoucím hradlem (Quasi-Floating-Gate “QFG”), s řízeným substrátem s plovoucím hradlem (Bulk-Driven Floating-Gate “BD-FG”) a s řízeným substrátem s kvazi plovoucím hradlem (Bulk-Driven Quasi-Floating-Gate “BD-QFG”), se v nedávné době ukázaly jako efektivní prostředek ke zjednodušení obvodového zapojení a ke snížení velikosti napájecího napětí směrem k prahovému napětí u tranzistorů MOS (MOST). V práci jsou podrobně představeny nejdůležitější charakteristiky nekonvenčních technik CMOS. Tyto techniky byly použity pro vytvoření nízko napěťových a nízko výkonových CMOS struktur u některých aktivních prvků, např. Operational Transconductance Amplifier (OTA) založené na BD, FG, QFG, a BD-QFG techniky; Tunable Transconductor založený na BD MOST; Current Conveyor Transconductance Amplifier (CCTA) založený na BD-QFG MOST; Z Copy-Current Controlled-Current Differencing Buffered Amplifier (ZC-CC-CDBA) založený na BD MOST; Winner Take All (WTA) and Loser Take All (LTA) založený na BD MOST; Fully Balanced Four-Terminal Floating Nullor (FBFTFN) založený na BD-QFG technice. Za účelem ověření funkčnosti výše zmíněných struktur, byly tyto struktury použity v několika aplikacích. Výkon navržených aktivních prvků a příkladech aplikací je ověřován prostřednictvím simulačních programů PSpice či Cadence za použití technologie 0.18 m CMOS.This doctoral thesis deals with designing ultra-low-voltage (LV) low-power (LP) analog circuits utilizing the unconventional CMOS techniques. Battery powered medical devices such as; long term physiological monitoring, portable, implantable, and wearable systems need to be small and lightweight. Besides, long life battery is essential need for these devices. Thus, low-power integrated circuits are always paramount in such biomedical applications. Recently, unconventional CMOS techniques i.e. Bulk-Driven (BD), Floating-Gate (FG), Quasi-Floating-Gate (QFG), Bulk-Driven Floating-Gate (BD-FG) and Bulk-Driven Quasi-Floating-Gate (BD-QFG) MOS transistors (MOSTs) have revealed as effective devices to reduce the circuit complexity and push the voltage supply of the circuit towards threshold voltage of the MOST. In this work, the most important features of the unconventional CMOS techniques are discussed in details. These techniques have been utilized to perform ultra-LV LP CMOS structures of several active elements i.e. Operational Transconductance Amplifier (OTA) based on BD, FG, QFG, and BD-QFG techniques; Tunable Transconductor based on BD MOST; Current Conveyor Transconductance Amplifier (CCTA) based on BD-QFG MOST; Z Copy-Current Controlled-Current Differencing Buffered Amplifier (ZC-CC-CDBA) based on BD MOST; Winner Take All (WTA) and Loser Take All (LTA) based on BD MOST; Fully Balanced Four-Terminal Floating Nullor (FBFTFN) based on BD-QFG technique. Moreover, to verify the workability of the proposed structures, they were employed in several applications. The performance of the proposed active elements and their applications were investigated through PSpice or Cadence simulation program using 0.18 m CMOS technology.

Circuits for Analog Signal Processing Employing Unconventional Active Elements

Disertační práce se zabývá zaváděním nových struktur moderních aktivních prvků pracujících v napěťovém, proudovém a smíšeném režimu. Funkčnost a chování těchto prvků byly ověřeny prostřednictvím SPICE simulací. V této práci je zahrnuta řada simulací, které dokazují přesnost a dobré vlastnosti těchto prvků, přičemž velký důraz byl kladen na to, aby tyto prvky byly schopny pracovat při nízkém napájecím napětí, jelikož poptávka po přenosných elektronických zařízeních a implantabilních zdravotnických přístrojích stále roste. Tyto přístroje jsou napájeny bateriemi a k tomu, aby byla prodloužena jejich životnost, trend navrhování analogových obvodů směřuje k stále většímu snižování spotřeby a napájecího napětí. Hlavním přínosem této práce je návrh nových CMOS struktur: CCII (Current Conveyor Second Generation) na základě BD (Bulk Driven), FG (Floating Gate) a QFG (Quasi Floating Gate); DVCC (Differential Voltage Current Conveyor) na základě FG, transkonduktor na základě nové techniky BD_QFG (Bulk Driven_Quasi Floating Gate), CCCDBA (Current Controlled Current Differencing Buffered Amplifier) na základě GD (Gate Driven), VDBA (Voltage Differencing Buffered Amplifier) na základě GD a DBeTA (Differential_Input Buffered and External Transconductance Amplifier) na základě BD. Dále je uvedeno několik zajímavých aplikací užívajících výše jmenované prvky. Získané výsledky simulací odpovídají teoretickým předpokladům.The dissertation thesis deals with implementing new structures of modern active elements working in voltage_, current_, and mixed mode. The functionality and behavior of these elements have been verified by SPICE simulation. Sufficient numbers of simulated plots are included in this thesis to illustrate the precise and strong behavior of those elements. However, a big attention to implement active elements by utilizing LV LP (Low Voltage Low Power) techniques is given in this thesis. This attention came from the fact that growing demand of portable electronic equipments and implantable medical devices are pushing the development towards LV LP integrated circuits because of their influence on batteries lifetime. More specifically, the main contribution of this thesis is to implement new CMOS structures of: CCII (Current Conveyor Second Generation) based on BD (Bulk Driven), FG (Floating Gate) and QFG (Quasi Floating Gate); DVCC (Differential Voltage Current Conveyor) based on FG; Transconductor based on new technique of BD_QFG (Bulk Driven_Quasi Floating Gate); CCCDBA (Current Controlled Current Differencing Buffered Amplifier) based on conventional GD (Gate Driven); VDBA (Voltage Differencing Buffered Amplifier) based on GD. Moreover, defining new active element i.e. DBeTA (Differential_Input Buffered and External Transconductance Amplifier) based on BD is also one of the main contributions of this thesis. To confirm the workability and attractive properties of the proposed circuits many applications were exhibited. The given results agree well with the theoretical anticipation.

CMOS Design of Reconfigurable SoC Systems for Impedance Sensor Devices

La rápida evolución en el campo de los sensores inteligentes, junto con los avances en las tecnologías de la computación y la comunicación, está revolucionando la forma en que recopilamos y analizamos datos del mundo físico para tomar decisiones, facilitando nuevas soluciones que desempeñan tareas que antes eran inconcebibles de lograr.La inclusión en un mismo dado de silicio de todos los elementos necesarios para un proceso de monitorización y actuación ha sido posible gracias a los avances en micro (y nano) electrónica. Al mismo tiempo, la evolución de las tecnologías de procesamiento y micromecanizado de superficies de silicio y otros materiales complementarios ha dado lugar al desarrollo de sensores integrados compatibles con CMOS, lo que permite la implementación de matrices de sensores de alta densidad. Así, la combinación de un sistema de adquisición basado en sensores on-Chip, junto con un microprocesador como núcleo digital donde se puede ejecutar la digitalización de señales, el procesamiento y la comunicación de datos proporciona características adicionales como reducción del coste, compacidad, portabilidad, alimentación por batería, facilidad de uso e intercambio inteligente de datos, aumentando su potencial número de aplicaciones.Esta tesis pretende profundizar en el diseño de un sistema portátil de medición de espectroscopía de impedancia de baja potencia operado por batería, basado en tecnologías microelectrónicas CMOS, que pueda integrarse con el sensor, proporcionando una implementación paralelizable sin incrementar significativamente el tamaño o el consumo, pero manteniendo las principales características de fiabilidad y sensibilidad de un instrumento de laboratorio. Esto requiere el diseño tanto de la etapa de gestión de la energía como de las diferentes celdas que conforman la interfaz, que habrán de satisfacer los requisitos de un alto rendimiento a la par que las exigentes restricciones de tamaño mínimo y bajo consumo requeridas en la monitorización portátil, características que son aún más críticas al considerar la tendencia actual hacia matrices de sensores.A nivel de celdas, se proponen diferentes circuitos en un proceso CMOS de 180 nm: un regulador de baja caída de voltaje como unidad de gestión de energía, que proporciona una alimentación de 1.8 V estable, de bajo ruido, precisa e independiente de la carga para todo el sistema; amplificadores de instrumentación con una aproximación completamente diferencial, que incluyen una etapa de entrada de voltaje/corriente configurable, ganancia programable y ancho de banda ajustable, tanto en la frecuencia de corte baja como alta; un multiplicador para conformar la demodulación dual, que está embebido en el amplificador para optimizar consumo y área; y filtros pasa baja totalmente integrados, que actúan como extractores de magnitud de DC, con frecuencias de corte ajustables desde sub-Hz hasta cientos de Hz.<br /

Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /

High performance readout circuits and devices for Lorentz force resonant CMOS-MEMS magnetic sensors

In the last decades, sensing capabilities of martphones have greatly improved since the early mobile phones of the 90’s. Moreover, wearables and the automotive industry require increasing electronics and sensing sophistication. In such echnological advance, Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) have played an important role as accelerometers and gyroscopes were the first sensors based on MEMS technology massively introduced in the market. In contrast, it still does not exist a commercial MEMS-based compass, even though Lorentz force MEMS magnetometers were first proposed in the late 90’s. Currently, Lorentz force MEMS magnetometers have been under the spotlight as they can offer an integrated solution to nowadays sensing power. As a consequence, great advances have been achieved, but various bottlenecks limit the introduction of Lorentz force MEMS compasses in the market. First, current MEMS magnetometers require high current consumption and high biasing voltages to achieve good sensitivities. Moreover, even though devices with excellent performance and sophistication are found in the literature, there is still a lack of research on the readout electronic circuits, specially in the digital signal processing, and closed loop control. Second, most research outcomes rely on custom MEMS fabrication rocesses to manufacture the devices. This is the same approach followed in current commercial MEMS, but it requires different fabrication processes for the electronics and the MEMS. As a consequence, manufacturing cost is high and sensor performance is affected by the MEMS-electronics interface parasitics. This dissertation presents potential solutions to these issues in order to pave the road to the commercialization of Lorentz force MEMS compasses. First, a complete closed loop, digitally controlled readout system is proposed. The readout circuitry, implemented with off-the-shelf commercial components, and the digital control, on an FPGA, are proposed as a proof of concept of the feasibility, and potential benefits, of such architecture. The proposed system has a measured noise of 550 nT / vHz while the MEMS is biased with 300 µA rms and V = 1 V . Second, various CMOS-MEMS magnetometers have been designed using the BEOL part of the TSMC and SMIC 180 nm standard CMOS processes, and wet and vapor etched. The devices measurement and characterisation is used to analyse the benefits and drawbacks of each design as well as releasing process. Doing so, a high volume manufacturing viability can be performed. Yield values as high as 86% have been obtained for one device manufactured in a SMIC 180 nm full wafer run, having a sensitivity of 2.82 fA/µT · mA and quality factor Q = 7.29 at ambient pressure. While a device manufactured in TSMC 180 nm has Q = 634.5 and a sensitivity of 20.26 fA/µT ·mA at 1 mbar and V = 1 V. Finally, an integrated circuit has been designed that contains all the critical blocks to perform the MEMS signal readout. The MEMS and the electronics have been manufactured using the same die area and standard TSMC 180 nm process in order to reduce parasitics and improve noise and current consumption. Simulations show that a resolution of 8.23 µT /mA for V = 1 V and BW = 10 Hz can be achieved with the designed device.En les últimes dècades, tenint en compte els primers telèfons mòbils dels anys 90, les capacitats de sensat dels telèfons intel·ligents han millorat notablement. A més, la indústria automobilística i de wearables necessiten cada cop més sofisticació en el sensat. Els Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) han tingut un paper molt important en aquest avenç tecnològic, ja que acceleròmetres i giroscopis varen ser els primers sensors basats en la tecnologia MEMS en ser introduïts massivament al mercat. En canvi, encara no existeix en la indústria una brúixola electrònica basada en la tecnologia MEMS, tot i que els magnetòmetres MEMS varen ser proposats per primera vegada a finals dels anys 90. Actualment, els magnetòmetres MEMS basats en la força de Lorentz són el centre d'atenció donat que poden oferir una solució integrada a les capacitats de sensat actuals. Com a conseqüència, s'han aconseguit grans avenços encara que existeixen diversos colls d'ampolla que encara limiten la introducció al mercat de brúixoles electròniques MEMS basades en la força de Lorentz. Per una banda, els agnetòmetres MEMS actuals necessiten un consum de corrent i un voltatge de polarització elevats per aconseguir una bona sensibilitat. A més, tot i que a la literatura hi podem trobar dispositius amb rendiments i sofisticació excel·lents, encara existeix una manca de recerca en el circuit de condicionament, especialment de processat digital i control del llaç. Per altra banda, moltes publicacions depenen de processos de fabricació de MEMS fets a mida per fabricar els dispositius. Aquesta és la mateixa aproximació que s'utilitza actualment en la indústria dels MEMS, però té l'inconvenient que requereix processos de fabricació diferents pels MEMS i l’electrònica. Per tant, el cost de fabricació és alt i el rendiment del sensor queda afectat pels paràsits en la interfície entre els MEMS i l'electrònica. Aquesta tesi presenta solucions potencials a aquests problemes amb l'objectiu d'aplanar el camí a la comercialització de brúixoles electròniques MEMS basades en la força de Lorentz. En primer lloc, es proposa un circuit de condicionament complet en llaç tancat controlat digitalment. Aquest s'ha implementat amb components comercials, mentre que el control digital del llaç s'ha implementat en una FPGA, tot com una prova de concepte de la viabilitat i beneficis potencials que representa l'arquitectura proposada. El sistema presenta un soroll de 550 nT / vHz quan el MEMS està polaritzat amb 300 µArms i V = 1 V . En segon lloc, s'han dissenyat varis magnetòmetres CMOS-MEMS utilitzant la part BEOL dels processos CMOS estàndard de TSMC i SMIC 180 nm, que després s'han alliberat amb líquid i gas. La mesura i caracterització dels dispositius s’ha utilitzat per analitzar els beneficis i inconvenients de cada disseny i procés d’alliberament. D'aquesta manera, s'ha pogut realitzar un anàlisi de la viabilitat de la seva fabricació en massa. S'han obtingut valors de yield de fins al 86% per un dispositiu fabricat amb SMIC 180 nm en una oblia completa, amb una sensibilitat de 2.82 fA/µT · mA i un factor de qualitat Q = 7.29 a pressió ambient. Per altra banda, el dispositiu fabricat amb TSMC 180 nm presenta una Q = 634.5 i una sensibilitat de 20.26 fA/µT · mA a 1 mbar amb V = 1 V. Finalment, s'ha dissenyat un circuit integrat que conté tots els blocs per a realitzar el condicionament de senyal del MEMS. El MEMS i l'electrònica s'han fabricat en el mateix dau amb el procés estàndard de TSMC 180 nm per tal de reduir paràsits i millorar el soroll i el consum de corrent. Les simulacions mostren una resolució de 8.23 µT /mA amb V = 1 V i BW = 10 Hz pel dispositiu dissenyat

A handheld high-sensitivity micro-NMR CMOS platform with B-field stabilization for multi-type biological/chemical assays

We report a micro-nuclear magnetic resonance (NMR) system compatible with multi-type biological/chemical lab-on-a-chip assays. Unified in a handheld scale (dimension: 14 x 6 x 11 cm³, weight: 1.4 kg), the system is capable to detect&lt;100 pM of Enterococcus faecalis derived DNA from a 2.5 μL sample. The key components are a portable magnet (0.46 T, 1.25 kg) for nucleus magnetization, a system PCB for I/O interface, an FPGA for system control, a current driver for trimming the magnetic (B) field, and a silicon chip fabricated in 0.18 μm CMOS. The latter, integrated with a current-mode vertical Hall sensor and a low-noise readout circuit, facilitates closed-loop B-field stabilization (2 mT → 0.15 mT), which otherwise fluctuates with temperature or sample displacement. Together with a dynamic-B-field transceiver with a planar coil for micro-NMR assay and thermal control, the system demonstrates: 1) selective biological target pinpointing; 2) protein state analysis; and 3) solvent-polymer dynamics, suitable for healthcare, food and colloidal applications, respectively. Compared to a commercial NMR-assay product (Bruker mq-20), this platform greatly reduces the sample consumption (120x), hardware volume (175x), and weight (96x)