Wirelessly-Powered CMOS Front End for Locomotive IC Applications

The steady leaps in miniaturization made in the realm of integrated circuit (IC) design has opened up prospects for a vast number of interesting possibilities. One of the possibilities is the idea of a locomotive integrated circuit. Unlike a typical IC that is soldered on a printed circuit board (PCB), locomotive ICs can be untethered and free to move around its environment. Recent research has demonstrated locomotive ICs that can potentially be used for non-invasive medical procedures including precise drug delivery targeted to specific problematic region of the body. Recent research has demonstrated locomotion using a variety of schemes including using electrolytic bubbles and manipulation of Lorentz force in a uniform magnetic field. In this work a wireless front end for a locomotive IC that relies on surface acoustic wave (SAW) devices is explored. A SAW device is a piezoelectric material that converts electrical stimulus into mechanical vibrations. For this work, the SAW device has been designed specifically to enable the mechanical vibration generated by electrical stimulation at 177MHz to potentially actuate motion. This work demonstrates a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) front end IC implemented in 180nm process that can potentially be used for locomo-tion by means of electrical excitation of a SAW device with an on-chip PLL frequency synthesizer. The energy required to power the IC is obtained through resonant wire-less power transfer between a pair of PCB inductor coils. The IC also contains power conditioning blocks that rectify the alternating voltage across the receiver inductor coil and generates a regulated DC voltage that powers the PLL frequency synthe-sizer. The entire proposed locomotive system consisting of PCB receiver coil, CMOS IC and SAW device fits inside an area of 1.5cmX1.9cm

Analysis and Characterization of Single-Poly Floating Gate Devices in 0.35um PDSOI Process

The purpose of this thesis is to demonstrate a single-poly Floating Gate Device (FGD) in 0.35 m Partially Depleted Silicon On Insulator (PDSOI) process for use in analog circuits for post process trimming. Floating gate devices with different aspect ratios have been fabricated to facilitate this behavioral study in PDSOI process. Fundamentals of floating gate devices, the advantages and disadvantages of PDSOI compared to bulk CMOS with respect to single-poly floating gate devices are discussed. Various experiments on behavior and performance of threshold voltage have been conducted and its variation with programming/erasing time and amplitude has been analyzed. The single-poly FGD’s on-resistance variation and hysteresis behavior with threshold voltage has been documented. A mathematical relation between FGD’s on-resistance and threshold voltage has been experimentally derived. Intrinsic data retention has been estimated through extrapolation of experimental data. A process independent MATLAB simulation model has been successfully developed for understanding the threshold voltage time dependence characteristics. And finally, this work has shown that programmable or post-process trimmable analog circuits can be implemented in SOI using single-poly FGDs as programmable resistive elements. A SOI programmable beta-multiplier current reference has been successfully demonstrated using the singlepoly FGD as a resistive element

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 /

Computing 3-D Motion in Custom Analog and Digital VLSI

This thesis examines a complete design framework for a real-time, autonomous system with specialized VLSI hardware for computing 3-D camera motion. In the proposed architecture, the first step is to determine point correspondences between two images. Two processors, a CCD array edge detector and a mixed analog/digital binary block correlator, are proposed for this task. The report is divided into three parts. Part I covers the algorithmic analysis; part II describes the design and test of a 32\time 32 CCD edge detector fabricated through MOSIS; and part III compares the design of the mixed analog/digital correlator to a fully digital implementation