Transimpedance amplifier for early detection of breast cancer

Breast cancer is the most common type of cancer worldwide. The effectiveness of its treatment depends on early stage detection, as well as on the accuracy of its diagnosis. Recently, diagnosis techniques have been submitted to relevant breakthroughs with the upcoming of Magnetic Resonance Imaging, Ultrasound Sonograms and Positron Emission Tomography (PET) scans, among others. The work presented here is focused on studying the application of a PET system to a Positron Emission Mammography (PEM) system. A PET/PEM system works under the principle that a scintillating crystal will detect a gamma-ray pulse, originated at the cancerous cells, converting it into a correspondent visible light pulse. The latter must then be converted into an electrical current pulse by means of a Photo- -Sensitive Device (PSD). After the PSD there must be a Transimpedance Amplifier (TIA) in order to convert the current pulse into a suitable output voltage, in a time period lower than 40 ns. In this Thesis, the PSD considered is a Silicon Photo-Multiplier (SiPM). The usage of this recently developed type of PSD is impracticable with the conventional TIA topologies, as it will be proven. Therefore, the usage of the Regulated Common-Gate (RCG) topology will be studied in the design of the amplifier. There will be also presented two RCG variations, comprising a noise response improvement and differential operation of the circuit. The mentioned topology will also be tested in a Radio-Frequency front-end, showing the versatility of the RCG. A study comprising a low-voltage self-biasing feedback TIA will also be shown. The proposed circuits will be simulated with standard CMOS technology (UMC 130 nm), using a 1.2 V power supply. A power consumption of 0.34 mW with a signal-to-noise ratio of 43 dB was achieved

Design of a CMOS amplifier for breast cancer detection

A transimpedance amplifier (TIA) is used, in radiation detectors like the positron emission tomography(PET), to transform the current pulse produced by a photo-sensitive device into an output voltage pulse with a desired amplitude and shape. The TIA must have the lowest noise possible to maximize the output. To achieve a low noise, a circuit topology is proposed where an auxiliary path is added to the feedback TIA input, In this auxiliary path a differential transconductance block is used to transform the node voltage in to a current, this current is then converted to a voltage pulse by a second feedback TIA complementary to the first one, with the same amplitude but 180º out of phase with the first feedback TIA. With this circuit the input signal of the TIA appears differential at the output, this is used to try an reduced the circuit noise. The circuit is tested with two different devices, the Avalanche photodiodes (APD) and the Silicon photomultiplier (SIPMs). From the simulations we find that when using s SIPM with Rx=20kΩ and Cx=50fF the signal to noise ratio is increased from 59 when using only one feedback TIA to 68.3 when we use an auxiliary path in conjunction with the feedback TIA. This values where achieved with a total power consumption of 4.82mv. While the signal to noise ratio in the case of the SIPM is increased with some penalty in power consumption

A Bulk Driven Transimpedance CMOS Amplifier for SiPM Based Detection

The contribution of this work lies in the development of a bulk driven operationaltransconducctance amplifier which can be integrated with other analog circuits andphotodetectors in the same chip for compactness, miniaturization and reducing thepower. Silicon photomultipliers, also known as SiPMs, when coupled with scintillator materials are used in many imaging applications including nuclear detection. This thesis discuss the design of a bulk-driven transimpedance amplifier suitable for detectors where the front end is a SiPM. The amplifier was design and fabricated in a standard standard CMOS process and is suitable for integration with CMOS based SiPMs and commercially available SiPMs. Specifically, the amplifier was verified in simulations and experiment using circuit models for the SiPM. The bulk-driven amplifier’s performance, was compared to a commerciallyavailable amplifier with approximately the same open loop gain (70dB). Bothamplifiers were verified with two different light sources, a scintillator and a SiPM.The energy resolution using the bulk driven amplifier was 8.6% and was 14.2% forthe commercial amplifier indicating the suitability of the amplifier design for portable systems

Transimpedance amplifier for integrated SpO2 optic sensor

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de ComputadoresThe oxygen level in blood, usually referred as SpO2 (Saturation of hemoglobin with oxygen as measured by pulse oximetry) is an essential medical information. Measuring the oxygen level of the human blood using non- intrusive techniques is a vital achievement in modern medicine. This can be performed by processing the infrared and red light transmitted through the patient’s finger and received by a photoreceptor. Before being applied to an analog-to-digital converter (ADC), the incoming light has to be converted to a voltage and the range should be dynamically adjusted in order to use the full input range of the ADC. Since the photoreceptor generates an output current, a transimpedance amplifier (TIA) with gain control is required. The two-stage TIA proposed in this paper, uses a regulated common-gate (RCG), in the first stage, employing noise cancellation and balun operation using an additional common-source (CS) stage, while the adjustable gain is implemented in the second-stage, which is based on an intrinsically noiseless MOS parametric amplifier(MPA). This MPA operates in the discrete-time domain, thus, eliminating the need of an input sample-and-hold (S&H) block in the ADC. The proposed circuit has been designed in a 130 nm digital 1.2 V CMOS technology with a power consumption lower than 350µW

JFET integration using a foundry SOI photonics platform

We explore the monolithic integration of conventional electronics with SOI photonics using the commercial silicon photonics foundry technology offered by A*STAR's Institute of Microelectronics (IME). This process offers optical waveguide modulators and photodetectors, but was not intended to support transistors. We present the implementation of junction field effect transistors (JFETs) integrated with optical waveguides and photodetectors. A simple SPICE model is developed for the JFETs based on the available ion implant parameters, and the geometry feature size allowed by the technology's layout rules. We have demonstrated the monolithic integration of photonics and electronics circuits. This work could be useful for application in waveguide sensors and optical telecommunications

Integrated Circuit Design for Radiation Sensing and Hardening.

Beyond the 1950s, integrated circuits have been widely used in a number of electronic devices surrounding people’s lives. In addition to computing electronics, scientific and medical equipment have also been undergone a metamorphosis, especially in radiation related fields where compact and precision radiation detection systems for nuclear power plants, positron emission tomography (PET), and radiation hardened by design (RHBD) circuits for space applications fabricated in advanced manufacturing technologies are exposed to the non-negligible probability of soft errors by radiation impact events. The integrated circuit design for radiation measurement equipment not only leads to numerous advantages on size and power consumption, but also raises many challenges regarding the speed and noise to replace conventional design modalities. This thesis presents solutions to front-end receiver designs for radiation sensors as well as an error detection and correction method to microprocessor designs under the condition of soft error occurrence. For the first preamplifier design, a novel technique that enhances the bandwidth and suppresses the input current noise by using two inductors is discussed. With the dual-inductor TIA signal processing configuration, one can reduce the fabrication cost, the area overhead, and the power consumption in a fast readout package. The second front-end receiver is a novel detector capacitance compensation technique by using the Miller effect. The fabricated CSA exhibits minimal variation in the pulse shape as the detector capacitance is increased. Lastly, a modified D flip-flop is discussed that is called Razor-Lite using charge-sharing at internal nodes to provide a compact EDAC design for modern well-balanced processors and RHBD against soft errors by SEE.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/111548/1/iykwon_1.pd

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 /

Techniques for signal to noise ratio adaptation in infared optical wireless for optimisation of receiver performance

The challenge of creating a new environment of links for wireless infrared and optical local area networks (LANs) is driving new innovations in the design of optical transceivers. This thesis is concerned with a systematic approach to the design of receivers for indoor optical wireless communication. In particular, it is concerned with how to offer bandwidth adjustment capability in a receiver according to the dynamic service quality of the incoming signals. Another part of the discussion of the thesis is how one can properly choose the front-end preamplifier and biasing circuitry for the photodetector. Also, comparison is made between different types of amplifier, and the methods of bandwidth enhancement. The designs of six different techniques of integrating transimpedance amplifiers, with photodetectors to adapt an adjustable bandwidth control receiver are discussed. The proposed topologies provide an adjustable range of bandwidths for different frequency ranges, typically between 52Hz to 115MHz. The composite technique designs were used to incorporate into a system with an automatic gain control to study its effect, on an optical wireless receiver which had bandwidth adjustment and automatic gain adjustment. Theoretical analysis of noise performance for all the designed circuits is also presented. The theory and design of obstacles of indoor optical wireless receiver delivery, in addition to techniques for mitigating these effects, are discussed. This shows that infrared is a viable alternative to ratio for certain applications

A 64-Channel Mixed-Signal Data Acquisition System for a Solid-State High Efficiency Neutron Detector Array

This thesis presents the design of multiple analog and digital blocks required to implement a desired solid-state data acquisition system for the High Efficiency Neutron Detector Array (HENDA) project under the Spallation Neutron Source (SNS) at Oak Ridge National Laboratory (ORNL). This system encloses and is an extension of prior work described in [1] and [2]. The first prototype chip, named Patara, contained a charge sensitive front-end amplifier [2], and a semi-Gaussian shaper with baseline restore circuitry [1]. Patara III, described in this thesis, involved the addition of the following system components; two comparators, a selectable synchronous/asynchronous digital backend, priority and binary encoders, nine LVDS drivers/receivers, three 8-bit current driven calibration DAC’s, two BGR’s, and a 99-bit serial shift register with channel test-mode circuitry. The design approach for all major blocks will be discussed along with overall system simulations. In addition, the testing procedure and associated measured results will be summarized illustrating a successful system design. This ASIC was fabricated using the Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) 0.35-μm process available through MOSIS

Research and design of high-speed advanced analogue front-ends for fibre-optic transmission systems

In the last decade, we have witnessed the emergence of large, warehouse-scale data centres which have enabled new internet-based software applications such as cloud computing, search engines, social media, e-government etc. Such data centres consist of large collections of servers interconnected using short-reach (reach up to a few hundred meters) optical interconnect. Today, transceivers for these applications achieve up to 100Gb/s by multiplexing 10x 10Gb/s or 4x 25Gb/s channels. In the near future however, data centre operators have expressed a need for optical links which can support 400Gb/s up to 1Tb/s. The crucial challenge is to achieve this in the same footprint (same transceiver module) and with similar power consumption as today’s technology. Straightforward scaling of the currently used space or wavelength division multiplexing may be difficult to achieve: indeed a 1Tb/s transceiver would require integration of 40 VCSELs (vertical cavity surface emitting laser diode, widely used for short‐reach optical interconnect), 40 photodiodes and the electronics operating at 25Gb/s in the same module as today’s 100Gb/s transceiver. Pushing the bit rate on such links beyond today’s commercially available 100Gb/s/fibre will require new generations of VCSELs and their driver and receiver electronics. This work looks into a number of state‐of-the-art technologies and investigates their performance restraints and recommends different set of designs, specifically targeting multilevel modulation formats. Several methods to extend the bandwidth using deep submicron (65nm and 28nm) CMOS technology are explored in this work, while also maintaining a focus upon reducing power consumption and chip area. The techniques used were pre-emphasis in rising and falling edges of the signal and bandwidth extensions by inductive peaking and different local feedback techniques. These techniques have been applied to a transmitter and receiver developed for advanced modulation formats such as PAM-4 (4 level pulse amplitude modulation). Such modulation format can increase the throughput per individual channel, which helps to overcome the challenges mentioned above to realize 400Gb/s to 1Tb/s transceivers