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 /

Cumulative Index to NASA Tech Briefs, 1963 - 1966

Cumulative index of NASA Tech Briefs dealing with electrical and electronic, physical science and energy sources, materials and chemistry, life science, and mechanical innovation

Cumulative index to NASA Tech Briefs, 1963-1967

Cumulative index to NASA survey on technology utilization of aerospace research outpu

Implementation of a Real-Time Test-Bed for LISA Pathfinder

LISA Pathfinder is intended to demonstrate the key technologies for LISA, the Laser Interferometer Space Antenna for gravitational waves detection. At the heart of the LISA Pathfinder (LPF) mission lies the high-precision inertial sensor package, the so-called LTP (LISA Technology Package). The LTP package basically consists of two Inertial Sensors and a laser interferometer. Each Inertial Sensor contains a free floating Test Mass (TM), which will ideally follow a purely gravitational trajectory. The positions of the proof masses with respect to the spacecraft will be measured electrostatically (capacitive sensing) using electrodes embedded in the Inertial Sensor (IS) housing. A Drag-Free Control System will cause the satellite to follow the trajectories of the test masses by means of Field Emission Electric Propulsion (FEEP) micro-Newton thrusters. The LTP laser interferometer will provide a measurement of the relative displacement of the TMs, allowing a direct assessment of the differential acceleration of the masses. The top science requirement of LPF is to demonstrate that the differential acceleration along the direct connection line between the centers of mass of the two TMs can be kept below a certain limit. Since the performance goal cannot be verified on the ground, a high level of modeling and detailed simulations are required to ensure the LISA Pathfinder mission success. Therefore, an End-to-End Simulator has been developed, it will be backed by Real-Time Test-Beds (RTB) with hardware in-loop to validate the performance of the sensors, actuators and control systems in a closed/open loop environmental simulation. To this end, a preliminary Real-Time Test-Bed has been built during this work. Test mass tip/tilt angles are represented by piezo actuated tip/tilt mirrors controlled according to the test mass motion as derived from the computed equations of motion. All actuator and sensor models, the spacecraft and test masses nonlinear dynamics, the environmental and internal disturbance models as well as the Drag-Free Algorithm Control System (DFACS) software have been implemented on a dSPACE® real-time computer. A real interferometer, similar to the LTP one, for the readout of the differential TM displacement has been built-up. Furthermore, the complete hardware set-up (consisting of the tip/tilt mirrors and the interferometer) has been calibrated. This Test-Bed represents the first step toward an LTP RTB that can be used for the DFACS closed loop functional testing as well as for the testing of the initial acquisition of the optical metrology system

NASA Tech Briefs Index, 1976

Abstracts of new technology derived from the research and development activities of the National Aeronautics and Space Administration are presented. Emphasis is placed on information considered likely to be transferrable across industrial, regional, or disciplinary lines. Subject matter covered includes: electronic components and circuits; electronic systems; physical sciences; materials; life sciences; mechanics; machinery; fabrication technology; and mathematics and information sciences

Characterization and development towards electrochemical real-time LAMP detection in an integrated and portable device

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Eletrónica Médica)Nos últimos anos os biossensores eletroquímicos têm sido reportados como uma abordagem promis sora para a deteção de DNA. São atrativos para dispositivos point-of-care pela facilidade de miniaturização, compatibilidade com técnicas de microfabricação e facilidade de instrumentação. Contudo, a integração de uma fase de amplificação com a deteção de sinais continua a ser um desafio. A técnica LAMP (loop mediated isothermal amplification ) surgiu como solução, destacando-se pela sua robustez e sensibilidade. Uma plataforma portátil para deteção eletroquímica de DNA (Mobi-E) foi desenvolvida para incorporar as caraterísticas mencionadas. Neste trabalho foram caraterizados os principais componentes do disposi tivo: potencióstatos ASIC, controlo de temperatura e um chip fluídico que integra elétrodos e estruturas de aquecimento impressas. Seguidamente, efetuou-se uma pesquisa para funcionalização universal desses elétrodos utilizando MD LAMP (mediator displacement LAMP). O desempenho do potencióstato, especificamente a rotina de voltametria de onda quadrada e a leitura quase simultânea dos 6 elétrodos de trabalho de uma câmara, foi provado e comparado com um dispositivo comercial, obtendo-se resultados qualitativamente comparáveis. Foram ainda realizadas otimizações para estabilização do potencial de referência, através da conversão Ag/AgCl por FeCl3, e para precaver dificuldades de medição resultantes da limitada tensão de conformidade do potencióstato (1.8 V). Para tal, aumentou-se a área do elétrodo auxiliar, através da impressão de 8 camadas de Au (4 no elétrodo de trabalho), e efetuou-se, entre medições, o curto-circuito entre o elétrodo auxiliar e o de referência. O sistema de controlo de temperatura provou ser efetivo no aquecimento das câmaras até 65 ºC em 2.5 min e na monitorização assertiva das suas temperaturas. Não foi detetado cross-talk entre câmaras vizinhas, nem a formação severa de bolhas de ar. Como prova de conceito, foram testadas quatro abordagens para MD LAMP e foi identificada uma alternativa promissora (Stem-Loop ) ao standard, com a respetiva mudança relativa de sinal: 0.3 e 177.6. Esta dissertação culmina com a otimização da reação LAMP para uma libertação eficiente do medi ador. Duas promissoras combinações de concentrações de mediador, primer modificado e loop primer foram identificadas: 200 nM, 400 nM, 400 nM e 100 nM, 200 nM, 600 nM, respetivamente, obtendo-se uma relação sinal/ruído de 3.7 e 2.9. Os conhecimentos adquiridos viabilizam o avanço da investigação no sentido da obtenção de um dispositivo capaz de realizar LAMP eletroquímico em tempo real.Electrochemical biosensors have been reported in recent years as a promising approach for DNA detection. The ease of miniaturization, compatibility with microfabrication techniques and simple instru mentation make these sensors attractive for point-of-care (POC) devices. However, integrating an ampli fication stage with signal detection remains a challenge. Loop-mediated isothermal amplification (LAMP) has emerged as a robust and highly sensitive isothermal strategy. A novel portable platform for rapid electrochemical DNA detection (Mobi-E device) was developed to incorporate the aforementioned features. Within this work, an extensive characterization of the main components of the Mobi-E device, which comprises ASIC potentiostats, temperature control, and a fluidic chip with integrated inkjet-printed electrodes and heating structures, was performed, followed by a research towards target-independent electrode functionalization employing mediator displacement (MD) LAMP. The operation of the general functionalities of the ASIC potentiostat, specifically the square wave voltammetry (SWV) routine and the quasi-simultaneous read-out of all 6 working electrodes (WEs) of a chamber, was proven and its performance was benchmarked against a commercial device, achieving qualitatively comparable results. Inherent optimizations of the device were performed to stabilize the reference electrode (RE) potential, through Ag/AgCl conversion by FeCl3, and to address the criticality that the 1.8 V compliance voltage of the potentiostat brought to the measurements. For this issue, it is suggested to increase the counter electrode (CE) area by printing 8 Au layers (WE with 4 layers) and to short-circuit the CE and RE between measurements. The temperature control system proved to be effective in heating the chambers to 65 ºC in about 2.5 min and assertively monitoring their temperature. Furthermore, no cross-talk between neighbouring chambers and no severe bubble formation was detected. Four concepts for target-independent MD LAMP were tested as proof-of-concept and a promising alternative (”Stem-Loop universal reporter (UR)”) to the standard approach was identified. The following relative signal change was achieved: 0.3 and 177.6, respectively. This thesis culminates with the optimization of fluorescent LAMP reaction parameters towards an efficient mediator release. Two promising concentration combinations of mediator, modified primer (LB_Medc) and loop primer (LB) were identified: 200 nM, 400 nM, 400 nM and 100 nM, 200 nM, 600 nM, respectively. For these, the signal-to-noise ratio was 3.7 and 2.9. The knowledge acquired in this thesis allows moving forward towards a device able to perform electrochemical real-time LAMP readout

Digital CMOS ISFET architectures and algorithmic methods for point-of-care diagnostics

Over the past decade, the surge of infectious diseases outbreaks across the globe is redefining how healthcare is provided and delivered to patients, with a clear trend towards distributed diagnosis at the Point-of-Care (PoC). In this context, Ion-Sensitive Field Effect Transistors (ISFETs) fabricated on standard CMOS technology have emerged as a promising solution to achieve a precise, deliverable and inexpensive platform that could be deployed worldwide to provide a rapid diagnosis of infectious diseases. This thesis presents advancements for the future of ISFET-based PoC diagnostic platforms, proposing and implementing a set of hardware and software methodologies to overcome its main challenges and enhance its sensing capabilities. The first part of this thesis focuses on novel hardware architectures that enable direct integration with computational capabilities while providing pixel programmability and adaptability required to overcome pressing challenges on ISFET-based PoC platforms. This section explores oscillator-based ISFET architectures, a set of sensing front-ends that encodes the chemical information on the duty cycle of a PWM signal. Two initial architectures are proposed and fabricated in AMS 0.35um, confirming multiple degrees of programmability and potential for multi-sensing. One of these architectures is optimised to create a dual-sensing pixel capable of sensing both temperature and chemical information on the same spatial point while modulating this information simultaneously on a single waveform. This dual-sensing capability, verified in silico using TSMC 0.18um process, is vital for DNA-based diagnosis where protocols such as LAMP or PCR require precise thermal control. The COVID-19 pandemic highlighted the need for a deliverable diagnosis that perform nucleic acid amplification tests at the PoC, requiring minimal footprint by integrating sensing and computational capabilities. In response to this challenge, a paradigm shift is proposed, advocating for integrating all elements of the portable diagnostic platform under a single piece of silicon, realising a ``Diagnosis-on-a-Chip". This approach is enabled by a novel Digital ISFET Pixel that integrates both ADC and memory with sensing elements on each pixel, enhancing its parallelism. Furthermore, this architecture removes the need for external instrumentation or memories and facilitates its integration with computational capabilities on-chip, such as the proposed ARM Cortex M3 system. These computational capabilities need to be complemented with software methods that enable sensing enhancement and new applications using ISFET arrays. The second part of this thesis is devoted to these methods. Leveraging the programmability capabilities available on oscillator-based architectures, various digital signal processing algorithms are implemented to overcome the most urgent ISFET non-idealities, such as trapped charge, drift and chemical noise. These methods enable fast trapped charge cancellation and enhanced dynamic range through real-time drift compensation, achieving over 36 hours of continuous monitoring without pixel saturation. Furthermore, the recent development of data-driven models and software methods open a wide range of opportunities for ISFET sensing and beyond. In the last section of this thesis, two examples of these opportunities are explored: the optimisation of image compression algorithms on chemical images generated by an ultra-high frame-rate ISFET array; and a proposed paradigm shift on surface Electromyography (sEMG) signals, moving from data-harvesting to information-focused sensing. These examples represent an initial step forward on a journey towards a new generation of miniaturised, precise and efficient sensors for PoC diagnostics.Open Acces