Folded-cascode transimpedance amplifiers employing a CMOS inverter as input stage

This paper presents the design and comparison of two shunt feedback transimpedance amplifiers (TIAs) implemented in standard 350nm CMOS technology from Austria Microsystems. These transimpedance amplifiers are based on a folded cascode topology. The first one is a conventional folded-cascode (CFC-TIA) and the second is a modified version folded-cascod (MFC-TIA) employing a CMOS inverter at the input stage. The proposed MFC-TIA achieves a gain of 80dBΩ, 370MHz bandwidth and minimum input current noise of 1,6pA√Hz with 0.5pF total input capacitance. The achieved results show that MFC-TIAs can match the performance of CFC-TIAs with reduced implementation area, thus being a suitable solution for photo-detector array receivers

Modelling, Analysis and Design of Optimised Electronic Circuits for Visible Light Communication Systems

This thesis explores new circuit design techniques and topologies to extend the bandwidth of visible light communication (VLC) transmitters and receivers, by ameliorating the bandwidth-limiting effects of commonly used optoelectronic devices. The thesis contains detailed literature review of transmitter and receiver designs, which inspired two directions of work. The first proposes new designs of optically lossless light emitting diode (LED) bandwidth extension technique that utilises a negative capacitance circuit to offset the diode’s bandwidth-limiting capacitance. The negative capacitance circuit was studied and verified through newly developed mathematical analysis, modelling and experimental demonstration. The bandwidth advantage of the proposed technique was demonstrated through measurements in conjunction with several colour LEDs, demonstrating up to 500% bandwidth extension with no loss of optical power. The second direction of work enhances the bandwidth of VLC receivers through new designs of ultra-low input impedance transimpedance amplifiers (TIAs), designed to be insensitive to the high photodiode capacitances (Cpd) of large area detectors. Moreover, the thesis proposes a new circuit, which modifies the traditional regulated cascode (RGC) circuit to enhance its bandwidth and gain. The modified RGC amplifier efficiently treats significant RGC inherent bandwidth limitations and is shown, through mathematical analysis, modelling and experimental measurements to extend the bandwidth further by up to 200%. The bandwidth advantage of such receivers was demonstrated in measurements, using several large area photodiodes of area up to 600 mm^2, resulting in a substantial bandwidth improvement of up to 1000%, relative to a standard 50 Ω termination. An inherent limitation of large area photodiodes, associated with internal resistive elements, was identified and ameliorated, through the design of negative resistance circuits. Altogether, this research resulted in a set of design methods and practical circuits, which will hopefully contribute to wider adoption of VLC systems and may be applied in areas beyond VLC

Biosensors and CMOS Interface Circuits

abstract: Analysing and measuring of biological or biochemical processes are of utmost importance for medical, biological and biotechnological applications. Point of care diagnostic system, composing of biosensors, have promising applications for providing cheap, accurate and portable diagnosis. Owing to these expanding medical applications and advances made by semiconductor industry biosensors have seen a tremendous growth in the past few decades. Also emergence of microfluidics and non-invasive biosensing applications are other marker propellers. Analyzing biological signals using transducers is difficult due to the challenges in interfacing an electronic system to the biological environment. Detection limit, detection time, dynamic range, specificity to the analyte, sensitivity and reliability of these devices are some of the challenges in developing and integrating these devices. Significant amount of research in the field of biosensors has been focused on improving the design, fabrication process and their integration with microfluidics to address these challenges. This work presents new techniques, design and systems to improve the interface between the electronic system and the biological environment. This dissertation uses CMOS circuit design to improve the reliability of these devices. Also this work addresses the challenges in designing the electronic system used for processing the output of the transducer, which converts biological signal into electronic signal.Dissertation/ThesisM.S. Electrical Engineering 201

A 0.3 V rail-to-rail ultra-low-power OTA with improved bandwidth and slew rate

In this paper, we present a novel operational transconductance amplifier (OTA) topology based on a dual-path body-driven input stage that exploits a body-driven current mirror-active load and targets ultra-low-power (ULP) and ultra-low-voltage (ULV) applications, such as IoT or biomedical devices. The proposed OTA exhibits only one high-impedance node, and can therefore be compensated at the output stage, thus not requiring Miller compensation. The input stage ensures rail-to-rail input common-mode range, whereas the gate-driven output stage ensures both a high open-loop gain and an enhanced slew rate. The proposed amplifier was designed in an STMicroelectronics 130 nm CMOS process with a nominal supply voltage of only 0.3 V, and it achieved very good values for both the small-signal and large-signal Figures of Merit. Extensive PVT (process, supply voltage, and temperature) and mismatch simulations are reported to prove the robustness of the proposed amplifier

High-precision fluorescence photometry for real-time biomarkers detection

Les derniers évènements planétaires et plus particulièrement l'avènement sans précédent du nouveau coronavirus augmente la demande pour des appareils de test à proximité du patient. Ceux-ci fonctionnent avec une batterie et peuvent identifier rapidement des biomarqueurs cibles. Pareils systèmes permettent aux utilisateurs, disposant de connaissances limitées en la matière, de réagir rapidement, par exemple dans la détection d'un cas positif de COVID-19. La mise en œuvre de l'élaboration d'un tel instrument est un projet multidisciplinaire impliquant notamment la conception de circuits intégrés, la programmation, la conception optique et la biologie, demandant tous une maîtrise pointue des détails. De plus, l'établissement des spécifications et des exigences pour mesurer avec précision les interactions lumière-échantillon s'additionnent au besoin d'expérience dans la conception et la fabrication de tels systèmes microélectriques personnalisés et nécessitent en elles-mêmes, une connaissance approfondie de la physique et des mathématiques. Ce projet vise donc à concevoir et à mettre en œuvre un appareil sans fil pour détecter rapidement des biomarqueurs impliqués dans des maladies infectieuses telles que le COVID-19 ou des types de cancers en milieu ambulatoire. Cette détection se fait grâce à des méthodes basées sur la fluorescence. La spectrophotométrie de fluorescence permet aux médecins d'identifier la présence de matériel génétique viral ou bactérien tel que l'ADN ou l'ARN et de les caractériser. Les appareils de paillasse sont énormes et gourmand énergétiquement tandis que les spectrophotomètres à fluorescence miniatuarisés disponibles dans le commerce sont confrontés à de nombreux défis. Ces appareils miniaturisés ont été découverts en tirant parti des diodes électroluminescentes (DEL) à semi-conducteurs peu coûteuses et de la technologie des circuits intégrés. Ces avantages aident les scientifiques à réduire les erreurs possibles, la consommation d'énergie et le coût du produit final utilisé par la population. Cependant, comme leurs homologues de paillasse, ces appareils POC doivent quantifier les concentrations en micro-volume d'analytes sur une large gamme de longueurs d'onde suivant le cadre d'une économie en ressources. Le microsystème envisagé bénéficie d'une approche de haute précision pour fabriquer une puce microélectronique CMOS. Ce procédé se fait de concert avec un boîtier personnalisé imprimé en 3D pour réaliser le spectrophotomètre à la fluorescence nécessaire à la détection quantitative d'analytes en microvolume. En ce qui a trait à la conception de circuits, une nouvelle technique de mise à auto-zeroing est appliquée à l'amplificateur central, celui-ci étant linéarisé avec des techniques de recyclage et de polarisation adaptative. Cet amplificateur central est entièrement différentiel et est utilisé dans un amplificateur à verrouillage pour récupérer le signal d'intérêt éclipsé par le bruit. De plus, l'augmentation de la sensibilité de l'appareil permet des mesures quantitatives avec des concentrations en micro-volume d'analytes ayant moins d'erreurs de prédiction de concentration. Cet avantage cumulé à une faible consommation d'énergie, un faible coût, de petites dimensions et un poids léger font de notre appareil une solution POC prometteuse dans le domaine de la spectrophotométrie de fluorescence. La validation de ce projet s'est fait en concevant, fabriquant et testant un prototype discret et sans fil. Son article de référence a été publié dans IEEE LSC 2018. Quant à la caractérisation et l'interprétation du prototype d'expériences in vitro à l'aide d'une interface MATLAB personnalisée, cet article a été publié dans IEEE Sensors journal (2021). Les circuits intégrés et les photodétecteurs ont été fabriqués ont été conçus et fabriqués par Cadence en 2019. Relativement aux solutions de circuit proposées, elles ont été fabriquées avec la technologie CMOS 180 nm et publiées lors de la conférence IEEE MWSCAS 2020. Tout comme cette dernière contribution, les expériences in vitro avec le dispositif proposé incluant la puce personnalisée et le boîtier imprimé en 3D ont été réalisés et les résultats électriques et optiques ont été soumis au IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC 2022).The most recent and unprecedented experience of the novel coronavirus increases the demand for battery-operated near-patient testing devices that can rapidly identify the target biomarkers. Such systems enable end-users with limited resources to quickly get feedback on various medical tests, such as detecting positive COVID-19 cases. Implementing such a device is a multidisciplinary project dealing with multiple areas of expertise, including integrated circuit design, programming, optical design, and biology, each of which needs a firm grasp of details. Alongside the need for experience in designing and manufacturing custom microelectronic systems, establishing the specifications and requirements to precisely measure the light-sample interactions requires an in-depth knowledge of physics and mathematics. This project aims to design and implement a wireless point-of-care (POC) device to rapidly detect biomarkers involved in infectious diseases such as COVID-19 or different types of cancers in an ambulatory setting using fluorescence-based methods. Fluorescence spectrophotometry allows physicians to identify and characterize viral or bacterial genetic materials such as DNAs or RNAs. The benchtop devices that are currently available are bulky and power-hungry, whereas the commercially available miniaturized fluorescence spectrophotometers are facing many challenges. Many of these difficulties have been resolved in literature thanks to inexpensive semiconductor light-emitting diodes (LEDs) and integrated circuits technology. Such advantages aid scientists in decreasing the size, power consumption, and cost of the final product for end-users. However, like the benchtop counterparts, such POC devices must quantify micro-volume concentrations of analytes across a wide wave length range under an economy of resources. The envisioned microsystem benefits from a high-precision approach to fabricating a CMOS microelectronic chip combined with a custom 3D-printed housing. This implementation results in a fluorescence spectrophotometer for qualitative and quantitative detection of micro-volume analytes. In terms of circuit design, a novel switched-biasing ping-pong auto-zeroed technique is applied to the core amplifier, linearized with recycling and adaptive biasing techniques. The fully differential core amplifier is utilized within a lock-in amplifier to retrieve the signal of interest overshadowed by noise. Increasing the device's sensitivity allows quantitative measurements down to micro-volume concentrations of analytes with less concentration prediction error. Such an advantage, along with low-power consumption, low cost, low weight, and small dimensions, make our device a promising POC solution in the fluorescence spectrophotometry area. The approach of this project was validated by designing, fabricating, and testing a discrete and wireless prototype. Its conference paper was published in IEEE LSC 2018, and the prototype characterization and interpretation of in vitro experiments using a custom MATLAB interface were published in IEEE Sensors Journal (2021). The integrated circuits and photodetectors were designed and fabricated by the Cadence circuit design toolbox (2019). The proposed circuit solutions were fabricated with 180-nm CMOS technology and published at IEEE MWSCAS 2020 conference. As the last contribution, the in vitro experiments with the proposed device, including the custom chip and 3D-printed housing, were performed, and the electrical and optical results were submitted to the IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC 2022)

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 /

Ultra-low power mixed-signal frontend for wearable EEGs

Electronics circuits are ubiquitous in daily life, aided by advancements in the chip design industry, leading to miniaturised solutions for typical day to day problems. One of the critical healthcare areas helped by this advancement in technology is electroencephalography (EEG). EEG is a non-invasive method of tracking a person's brain waves, and a crucial tool in several healthcare contexts, including epilepsy and sleep disorders. Current ambulatory EEG systems still suffer from limitations that affect their usability. Furthermore, many patients admitted to emergency departments (ED) for a neurological disorder like altered mental status or seizures, would remain undiagnosed hours to days after admission, which leads to an elevated rate of death compared to other conditions. Conducting a thorough EEG monitoring in early-stage could prevent further damage to the brain and avoid high mortality. But lack of portability and ease of access results in a long wait time for the prescribed patients. All real signals are analogue in nature, including brainwaves sensed by EEG systems. For converting the EEG signal into digital for further processing, a truly wearable EEG has to have an analogue mixed-signal front-end (AFE). This research aims to define the specifications for building a custom AFE for the EEG recording and use that to review the suitability of the architectures available in the literature. Another critical task is to provide new architectures that can meet the developed specifications for EEG monitoring and can be used in epilepsy diagnosis, sleep monitoring, drowsiness detection and depression study. The thesis starts with a preview on EEG technology and available methods of brainwaves recording. It further expands to design requirements for the AFE, with a discussion about critical issues that need resolving. Three new continuous-time capacitive feedback chopped amplifier designs are proposed. A novel calibration loop for setting the accurate value for a pseudo-resistor, which is a crucial block in the proposed topology, is also discussed. This pseudoresistor calibration loop achieved the resistor variation of under 8.25%. The thesis also presents a new design of a curvature corrected bandgap, as well as a novel DDA based fourth-order Sallen-Key filter. A modified sensor frontend architecture is then proposed, along with a detailed analysis of its implementation. Measurement results of the AFE are finally presented. The AFE consumed a total power of 3.2A (including ADC, amplifier, filter, and current generation circuitry) with the overall integrated input-referred noise of 0.87V-rms in the frequency band of 0.5-50Hz. Measurement results confirmed that only the proposed AFE achieved all defined specifications for the wearable EEG system with the smallest power consumption than state-of-art architectures that meet few but not all specifications. The AFE also achieved a CMRR of 131.62dB, which is higher than any studied architectures.Open Acces

New Techniques for Multi-Channel Biosignal Acquisition and Low-Power, Low-Resistance-Measurement Systems

Dense electrical recording of biosignals has been developed to provide spatial resolution and precise temporal information for health monitoring, diagnostics, and clinical research. However, more electrodes require more wires, and wiring density quickly becomes a limiting factor. To break this bottleneck, we proposed a frequency-division multiplexing (FDM) based architecture for multi-channel acquisition systems. In this final exam, I present two applications that make use of this FDM technique. The first is an FDM-based multi-channel electromyography (EMG) acquisition system, which demonstrates that the FDM system not only reduces wire count, but also mitigates the effect of low frequency motion artifacts and 50/60 Hz mains interference introduced in the wire. An FDM-based four-channel EMG recording is demonstrated, while carrying all channels over a 3-wire interface, and the system achieves an attenuation of low-frequency cable motion artifacts by 15X an! d 60Hz mains noise coupled in the cable by 62X. A second application that forms the basis of my current research effort is an FDM-based neural recording system with multiple graphene active electrodes. We demonstrated a two-channel system including graphene FET electrodes, a custom integrated circuit (IC) analog front-end (AFE), and digital demodulation. In related multi-channel sensor work, a growing need for ultra-low-power sensors has driven continuous advancement in read-out circuits for temperature, humidity, and pressure. IC-integrated Wheatstone bridges, commonly used, are efficient for large sensor resistance (5k-500kohm), but measuring small resistance (30,000x smaller nominal sensor resistance

High Performance RF and Basdband Analog-to-Digital Interface for Multi-standard/Wideband Applications

The prevalence of wireless standards and the introduction of dynamic standards/applications, such as software-defined radio, necessitate the next generation wireless devices that integrate multiple standards in a single chip-set to support a variety of services. To reduce the cost and area of such multi-standard handheld devices, reconfigurability is desirable, and the hardware should be shared/reused as much as possible. This research proposes several novel circuit topologies that can meet various specifications with minimum cost, which are suited for multi-standard applications. This doctoral study has two separate contributions: 1. The low noise amplifier (LNA) for the RF front-end; and 2. The analog-to-digital converter (ADC). The first part of this dissertation focuses on LNA noise reduction and linearization techniques where two novel LNAs are designed, taped out, and measured. The first LNA, implemented in TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) 0.35Cm CMOS (Complementary metal-oxide-semiconductor) process, strategically combined an inductor connected at the gate of the cascode transistor and the capacitive cross-coupling to reduce the noise and nonlinearity contributions of the cascode transistors. The proposed technique reduces LNA NF by 0.35 dB at 2.2 GHz and increases its IIP3 and voltage gain by 2.35 dBm and 2dB respectively, without a compromise on power consumption. The second LNA, implemented in UMC (United Microelectronics Corporation) 0.13Cm CMOS process, features a practical linearization technique for high-frequency wideband applications using an active nonlinear resistor, which obtains a robust linearity improvement over process and temperature variations. The proposed linearization method is experimentally demonstrated to improve the IIP3 by 3.5 to 9 dB over a 2.5–10 GHz frequency range. A comparison of measurement results with the prior published state-of-art Ultra-Wideband (UWB) LNAs shows that the proposed linearized UWB LNA achieves excellent linearity with much less power than previously published works. The second part of this dissertation developed a reconfigurable ADC for multistandard receiver and video processors. Typical ADCs are power optimized for only one operating speed, while a reconfigurable ADC can scale its power at different speeds, enabling minimal power consumption over a broad range of sampling rates. A novel ADC architecture is proposed for programming the sampling rate with constant biasing current and single clock. The ADC was designed and fabricated using UMC 90nm CMOS process and featured good power scalability and simplified system design. The programmable speed range covers all the video formats and most of the wireless communication standards, while achieving comparable Figure-of-Merit with customized ADCs at each performance node. Since bias current is kept constant, the reconfigurable ADC is more robust and reliable than the previous published works

A highly digital microbolometer ROIC employing a novel event-based readout and two-step time to digital converters

Uncooled infrared imaging systems are a light weight and low cost alternative to their cooled counterparts. Uncooled microbolometer IR focal plane arrays (IRFPAs) for applications such as medical imaging, thermography, night vision, surveillance and industrial process control have recently been under focus. These systems have small pixel pitches ( 250 K). Low NETD demands excellent microbolometer and readout noise performance. If sensitive analog circuits, driving long metal interconnects, are part of the predigitization readout channel, this necessitates the use of power consuming buffers, potentially in conjunction with noise cancellation circuits that result in power and area overhead. Thus re-thinking at the architectural level is crucial to meet these demands. Accordingly, in this thesis a column-parallel readout architecture for frame synchronous microbolometer imagers is proposed that enables low power operation by employing a time mode digitizer. The proposed readout circuit is based on a bridge type detector network with active and reference microbolometers and employs a capacitive transimpedance amplifier (CTIA) incorporating a novel two-step integration mechanism. By using a modified reset scheme in the CTIA, a forward ramp is initiated at the input side followed by the conventional backward integrated ramp at the output. This extends the measurement interval and improves signal-to-noise ratio (SNR). A synchronous counter based TDC measures this interval providing robust digitization. This technique also provides a way of compensating for self-heating effects. Being highly digital, the proposed architecture offers robust frontend processing and achieves a per channel power consumption of 66 µW, which is considerably lower than the most recently reported designs, while maintaining better than 10mK readout NETD