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 /

An ultra-low power voltage regulator system for wireless sensor networks powered by energy harvesting

A DC-DC converter is an important power management module as it converts one DC voltage level to another suitable for powering a desired electronic system. It also stabilizes the output voltage when fluctuations appear in the power supplies. For those wireless sensor networks (WSNs) powered by energy harvesting, the DC-DC converter is usually a linear regulator and it resides at the last stage of the whole energy harvesting system just before the empowering sensor node. Due to the low power densities of energy sources, one may have to limit the quiescent current of the linear regulator in the sub-uA regime. This severe restriction on quiescent current could greatly compromise other performance aspects, especially the transient response. This dissertation reports a voltage regulator system topology which utilizes the sensor node state information to achieve ultra-low power consumption. The regulator system is composed of two regulators with different current driving abilities and quiescent current consumptions. The key idea is to switch between the two regulators depending on the sensor state. Since the "right" regulator is used at the "right" time, the average quiescent current of the regulator system is minimized, and the trade-off between low quiescent current and fast transient response has been eliminated. In order to minimize the average quiescent current of the system, nano-ampere reference current design is studied, and the proposed reference current circuit is shown (theoretically and experimentally) to reduce the supply voltage dependence by 5X. The regulator system has been fabricated and tested using an ON Semiconductor 0.5 &#956;m process. It has been verified through experiments that the proposed system reduces the quiescent current by 3X over the state-of-the-art in the literature; and, more importantly, it achieves low quiescent current, low dropout voltage, and fast transient response with small output voltage variation all at the same time. The thesis further presents data on the application of energy harvesting system deriving energies from various RF signals to power a commercial off-shelf wireless sensor node

Conception d'un système d'annulation d'interférence pour fin de cohabitation entre deux systèmes satellitaires Iridium et Inmarsat

RÉSUMÉ Inmarsat et Iridium sont deux systèmes de communication par satellite utilisés dans les avions. Étant donné que les fréquences de fonctionnement de ces deux systèmes sont proches et que la puissance d'émission du signal Inmarsat est forte et dans une bande proche de la bande de réception d'Iridium, le premier interfère la réception du second. L'objectif de cette recherche est de développer une solution RF pour atténuer ces interférences en n'apportant que des modifications mineures sur les équipements d'antennes existants. La solution proposée est un circuit d'annulation RF qui réduit adaptativement les interférences. Au début du projet, nous pensions que l’intermodulation des signaux de transmission Inmarsat, qui tombe dans la bande de réception du signal Iridium était la principale cause du problème d’interférence. Toutefois, il a plus tard été réalisé que le signal Inmarsat lui-même était la principale source d'interférences. En conséquence, certaines modifications ont été apportées à la première solution envisagée afin d'atténuer le signal Inmarsat reçu par l'antenne de réception Iridium. Le circuit d'annulation est composé de deux parties: la partie d’annulation et la partie de contrôle. La première partie génère un signal d'annulation à partir du signal d'interférence Inmarsat en utilisant un modulateur vectoriel, puis combine ce signal à la réception du signal Iridium afin d'atténuer les interférences. La deuxième partie capture un signal à la réception Iridium pour former une boucle de rétroaction et puis un algorithme d'optimisation est utilisé pour contrôler adaptativement le modulateur vectoriel de la première partie. L'algorithme de descente de gradient et l'algorithme de recherche de patrons (‘pattern search algorithm’ en anglais) sont utilisés dans ce projet. Selon les résultats expérimentaux obtenus par un circuit d’essai en laboratoire, il a été possible de réduire le niveau d’interférence d’environ 37 dB.----------ABSTRACT Inmarsat and Iridium are two satellite communication systems used on aircraft. Since the operation frequencies of these two systems are very close to each other and the transmit power of Inmarsat signal is strong and in a band that is close to the receive band of Iridium, the former interferes with the reception of the latter. The objective of this research is to develop an RF solution to mitigate these interferences while making only minor modification on existing antenna equipment. The proposed solution is an RF cancellation circuit which reduces the interference adaptively. In the beginning, we thought that the intermodulation of Inmarsat transmission signals, which falls into the reception band of the Iridium signal, was the main cause of the interference problem. However, it was later realized that the Inmarsat signal itself is the dominant source of interferences. In consequence, some modifications were done in the proposed circuit in order to mitigate the Inmarsat signal received by Iridium reception antenna. The cancellation circuit is composed of two parts: the cancellation part and the control part. The first part generates a radiofrequency cancellation signal based on the interference signal Inmarsat by using a vector modulator and then combine this signal at the reception of Iridium signal to mitigate the interferences. The second part capture a signal from the Iridium reception to form a feedback loop and an optimisation algorithm is used to control adaptively the vector modulator of the first part. The gradient-descent algorithm and the pattern search algorithm are used in this project. According to the experimental results obtained with a test circuit in the laboratory, it was possible to reduce the interference level by about 37 dB