Um amplificador de transimpedância de ganho variável para aplicação em osciladores baseados em MEMS

Orientador: José Alexandre DinizDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Um amplificador de transimpedância (TIA) de ganho variável é apresentado. Implementado em tecnologia 0,18 'mi'm, o projeto relatado possui a finalidade de prover um amplificador de sustentação para osciladores baseados em ressonadores do tipo MEMS (Micro-Electro-Mechanical System). Entre outros, as peculiaridades de projeto envolvem um desafiante compromisso entre Ganho, Largura de Banda, Ruído e Consumo de potência. Sendo assim, o amplificador foi implementado através do cascateamento de quatro estágios de ganho similares, lançando-se mão de realimentação do tipo shunt-shunt para diminuir as impedâncias de entrada e saída. Através do emprego de um estágio de ganho variável, uma alta faixa dinâmica de ganho é alcançada (53 dB), com um ganho máximo de transimpedância de 118 dB'ômega'...Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digitalAbstract: A variable gain Transimpedance Amplifier (TIA) is presented. Realized in 0.18 'mi'm technology, this amplifier was conceived with the purpose of providing oscillation sustaining for Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) based oscillators. Facing a quite challenging trade-off between Gain, Bandwidth, Noise and Power consumption, the TIA was implemented through the cascade of four similar gain stages, with the application of shunt-shunt feedback to lower both input and output resistances. With the employment of a variable-gain stage, this TIA presents a large gain tunability of 53 dB, with a also large maximum transimpedance gain of 118 dB'omega'...Note: The complete abstract is available with the full electronic documentMestradoEletrônica, Microeletrônica e OptoeletrônicaMestre em Engenharia Elétric

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 /

Design and Implementation of an Integrated Biosensor Platform for Lab-on-a-Chip Diabetic Care Systems

Recent advances in semiconductor processing and microfabrication techniques allow the implementation of complex microstructures in a single platform or lab on chip. These devices require fewer samples, allow lightweight implementation, and offer high sensitivities. However, the use of these microstructures place stringent performance constraints on sensor readout architecture. In glucose sensing for diabetic patients, portable handheld devices are common, and have demonstrated significant performance improvement over the last decade. Fluctuations in glucose levels with patient physiological conditions are highly unpredictable and glucose monitors often require complex control algorithms along with dynamic physiological data. Recent research has focused on long term implantation of the sensor system. Glucose sensors combined with sensor readout, insulin bolus control algorithm, and insulin infusion devices can function as an artificial pancreas. However, challenges remain in integrated glucose sensing which include degradation of electrode sensitivity at the microscale, integration of the electrodes with low power low noise readout electronics, and correlation of fluctuations in glucose levels with other physiological data. This work develops 1) a low power and compact glucose monitoring system and 2) a low power single chip solution for real time physiological feedback in an artificial pancreas system. First, glucose sensor sensitivity and robustness is improved using robust vertically aligned carbon nanofiber (VACNF) microelectrodes. Electrode architectures have been optimized, modeled and verified with physiologically relevant glucose levels. Second, novel potentiostat topologies based on a difference-differential common gate input pair transimpedance amplifier and low-power voltage controlled oscillators have been proposed, mathematically modeled and implemented in a 0.18μm [micrometer] complementary metal oxide semiconductor (CMOS) process. Potentiostat circuits are widely used as the readout electronics in enzymatic electrochemical sensors. The integrated potentiostat with VACNF microelectrodes achieves competitive performance at low power and requires reduced chip space. Third, a low power instrumentation solution consisting of a programmable charge amplifier, an analog feature extractor and a control algorithm has been proposed and implemented to enable continuous physiological data extraction of bowel sounds using a single chip. Abdominal sounds can aid correlation of meal events to glucose levels. The developed integrated sensing systems represent a significant advancement in artificial pancreas systems

Systematic Approaches for Telemedicine and Data Coordination for COVID-19 in Baja California, Mexico

Conference proceedings info: ICICT 2023: 2023 The 6th International Conference on Information and Computer Technologies Raleigh, HI, United States, March 24-26, 2023 Pages 529-542We provide a model for systematic implementation of telemedicine within a large evaluation center for COVID-19 in the area of Baja California, Mexico. Our model is based on human-centric design factors and cross disciplinary collaborations for scalable data-driven enablement of smartphone, cellular, and video Teleconsul-tation technologies to link hospitals, clinics, and emergency medical services for point-of-care assessments of COVID testing, and for subsequent treatment and quar-antine decisions. A multidisciplinary team was rapidly created, in cooperation with different institutions, including: the Autonomous University of Baja California, the Ministry of Health, the Command, Communication and Computer Control Center of the Ministry of the State of Baja California (C4), Colleges of Medicine, and the College of Psychologists. Our objective is to provide information to the public and to evaluate COVID-19 in real time and to track, regional, municipal, and state-wide data in real time that informs supply chains and resource allocation with the anticipation of a surge in COVID-19 cases. RESUMEN Proporcionamos un modelo para la implementación sistemática de la telemedicina dentro de un gran centro de evaluación de COVID-19 en el área de Baja California, México. Nuestro modelo se basa en factores de diseño centrados en el ser humano y colaboraciones interdisciplinarias para la habilitación escalable basada en datos de tecnologías de teleconsulta de teléfonos inteligentes, celulares y video para vincular hospitales, clínicas y servicios médicos de emergencia para evaluaciones de COVID en el punto de atención. pruebas, y para el tratamiento posterior y decisiones de cuarentena. Rápidamente se creó un equipo multidisciplinario, en cooperación con diferentes instituciones, entre ellas: la Universidad Autónoma de Baja California, la Secretaría de Salud, el Centro de Comando, Comunicaciones y Control Informático. de la Secretaría del Estado de Baja California (C4), Facultades de Medicina y Colegio de Psicólogos. Nuestro objetivo es proporcionar información al público y evaluar COVID-19 en tiempo real y rastrear datos regionales, municipales y estatales en tiempo real que informan las cadenas de suministro y la asignación de recursos con la anticipación de un aumento de COVID-19. 19 casos.ICICT 2023: 2023 The 6th International Conference on Information and Computer Technologieshttps://doi.org/10.1007/978-981-99-3236-