Operational modal analysis for testing and monitoring of bridges and special structures

Tese de doutoramento. Engenharia Civil. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 201

MOSFET zero-temperature-coefficient (ZTC) effect modeling anda analysis for low thermal sensitivity analog applications

Continuing scaling of Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technologies brings more integration and consequently temperature variation has become more aggressive into a single die. Besides, depending on the application, room ambient temperature may also vary. Therefore, procedures to decrease thermal dependencies of eletronic circuit performances become an important issue to include in both digital and analog Integrated Circuits (IC) design flow. The main purpose of this thesis is to present a design methodology for a typical CMOS Analog design flow to make circuits as insensitivity as possible to temperature variation. MOSFET Zero Temperature Coefficient (ZTC) and Transconductance Zero Temperature Coefficient (GZTC) bias points are modeled to support it. These are used as reference to deliver a set of equations that explains to analog designers how temperature will change transistor operation and hence the analog circuit behavior. The special bias conditions are analyzed using a MOSFET model that is continuous from weak to strong inversion, and both are proven to occur always from moderate to strong inversion operation in any CMOS fabrication process. Some circuits are designed using proposed methodology: two new ZTC-based current references, two new ZTC-based voltage references and four classical Gm-C circuits biased at GZTC bias point (or defined here as GZTC-C filters). The first current reference is a Self-biased CMOS Current Reference (ZSBCR), which generates a current reference of 5 A. It is designed in an 180 nm process, operating with a supply voltage from 1.4V to 1.8 V and occupying around 0:010mm2 of silicon area. From circuit simulations the reference shows an effective temperature coefficient (TCeff ) of 15 ppm/oC from 45 to +85oC, and a fabrication process sensitivity of = = 4:5%, including average process and local mismatch. Simulated power supply sensitivity is estimated around 1%/V. The second proposed current reference is a Resistorless Self-Biased ZTC Switched Capacitor Current Reference (ZSCCR). It is also designed in an 180 nm process, resulting a reference current of 5.88 A under a supply voltage of 1.8 V, and occupying a silicon area around 0:010mm2. Results from circuit simulation show an TCeff of 60 ppm/oC from -45 to +85 oC and a power consumption of 63 W. The first proposed voltage reference is an EMI Resisting MOSFET-Only Voltage Reference (EMIVR), which generates a voltage reference of 395 mV. The circuit is designed in a 130 nm process, occupying around 0.0075 mm2 of silicon area while consuming just 10.3 W. Post-layout simulations present a TCeff of 146 ppm/oC, for a temperature range from 55 to +125oC. An EMI source of 4 dBm (1 Vpp amplitude) injected into the power supply of circuit, according to Direct Power Injection (DPI) specification results in a maximum DC Shift and Peak-to-Peak ripple of -1.7 % and 35.8m Vpp, respectively. The second proposed voltage reference is a 0.5V Schottky-based Voltage Reference (SBVR). It provides three voltage reference outputs, each one utilizing different threshold voltage MOSFETs (standard-VT , low-VT , and zero-VT ), all available in adopted 130 nm CMOS process. This design results in three different and very low reference voltages: 312, 237, and 51 mV, presenting a TCeff of 214, 372, and 953 ppm/oC in a temperature range from -55 to 125oC, respectively. It occupies around 0.014 mm2 of silicon area for a total power consumption of 5.9 W. Lastly, a few example Gm-C circuits are designed using GZTC technique: a single-ended resistor emulator, an impedance inverter, a first order and a second order filter. These circuits are simulated in a 130 nm CMOS commercial process, resulting improved thermal stability in the main performance parameters, in the range from 27 to 53 ppm/°C.A contínua miniaturização das tecnologias CMOS oferece maior capacidade de integração e, consequentemente, as variações de temperatura dentro de uma pastilha de silício têm se apresentado cada vez mais agressivas. Ademais, dependendo da aplicação, a temperatura ambiente a qual o CHIP está inserido pode variar. Dessa maneira, procedimentos para diminuir o impacto dessas variações no desempenho do circuito são imprescindíveis. Tais métodos devem ser incluídos em ambos fluxos de projeto CMOS, analógico e digital, de maneira que o desempenho do sistema se mantenha estável quando a temperatura oscilar. A ideia principal desta dissertação é propor uma metodologia de projeto CMOS analógico que possibilite circuitos com baixa dependência térmica. Como base fundamental desta metodologia, o efeito de coeficiente térmico nulo no ponto de polarização da corrente de dreno (ZTC) e da transcondutância (GZTC) do MOSFET são analisados e modelados. Tal modelamento é responsável por entregar ao projetista analógico um conjunto de equações que esclarecem como a temperatura influencia o comportamento do transistor e, portanto, o comportamento do circuito. Essas condições especiais de polarização são analisadas usando um modelo de MOSFET que é contínuo da inversão fraca para forte. Além disso, é mostrado que as duas condições ocorrem em inversão moderada para forte em qualquer processo CMOS. Algumas aplicações são projetadas usando a metodologia proposta: duas referências de corrente baseadas em ZTC, duas referências de tensão baseadas em ZTC, e quatro circuitos gm-C polarizados em GZTC. A primeira referência de corrente é uma Corrente de Referência CMOS Auto-Polarizada (ZSBCR), que gera uma referência de 5uA. Projetada em CMOS 180 nm, a referência opera com uma tensão de alimentação de 1.4 à 1.8 V, ocupando uma área em torno de 0:010mm2. Segundo as simulações, o circuito apresenta um coeficiente de temperatura efetivo (TCeff ) de 15 ppm/oC para -45 à +85 oC e uma sensibilidade à variação de processo de = = 4:5% incluindo efeitos de variabilidade dos tipos processo e descasamento local. A sensibilidade de linha encontrada nas simulações é de 1%=V . A segunda referência de corrente proposta é uma Corrente de Referência Sem Resistor Auto-Polarizada com Capacitor Chaveado (ZSCCR). O circuito é projetado também em 180 nm, resultando em uma corrente de referência de 5.88 A, para uma tensão de alimentação de 1.8 V, e ocupando uma área de 0:010mm2. Resultados de simulações mostram um TCeff de 60 ppm/oC para um intervalo de temperatura de -45 à +85 oC e um consumo de potência de 63 W. A primeira referência de tensão proposta é uma Referência de Tensão resistente à pertubações eletromagnéticas contendo apenas MOSFETs (EMIVR), a qual gera um valor de referência de 395 mV. O circuito é projetado no processo CMOS 130 nm, ocupando em torno de 0.0075 mm2 de área de silício, e consumindo apenas 10.3 W. Simulações pós-leiaute apresentam um TCeff de 146 ppm/oC, para um intervalo de temperatura de 55 à +125oC. Uma fonte EMI de 4 dBm (1 Vpp de amplitude) aplicada na alimentação do circuito, de acordo com o padrão Direct Power Injection (DPI), resulta em um máximo de desvio DC e ondulação Pico-à-Pico de -1.7 % e 35.8m Vpp, respectivamente. A segunda referência de tensão é uma Tensão de Referência baseada em diodo Schottky com 0.5V de alimentação (SBVR). Ela gera três saídas, cada uma utilizando MOSFETs com diferentes tensões de limiar (standard-VT , low-VT , e zero-VT ). Todos disponíveis no processo adotado CMOS 130 nm. Este projeto resulta em três diferentes voltages de referências: 312, 237, e 51 mV, apresentando um TCeff de 214, 372, e 953 ppm/oC no intervalo de temperatura de -55 à 125oC, respectivamente. O circuito ocupa em torno de 0.014 mm2, consumindo um total de 5.9 W. Por último, circuitos gm-C são projetados usando o conceito GZTC: um emulador de resistor, um inversor de impedância, um filtro de primeira ordem e um filtro de segunda ordem. Os circuitos também são simulados no processo CMOS 130 nm, resultando em uma melhora na estabilidade térmica dos seus principais parâmetros, indo de 27 à 53 ppm/°C

Digital-Based Analog Processing in Nanoscale CMOS ICs for IoT Applications

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Digital-based analog processing in nanoscale CMOS ICs for IoT applications

The Internet-of-Things (IoT) concept has been opening up a variety of applications, such as urban and environmental monitoring, smart health, surveillance, and home automation. Most of these IoT applications require more and more power/area efficient Complemen tary Metal–Oxide–Semiconductor (CMOS) systems and faster prototypes (lower time-to market), demanding special modifications in the current IoT design system bottleneck: the analog/RF interfaces. Specially after the 2000s, it is evident that there have been significant improvements in CMOS digital circuits when compared to analog building blocks. Digital circuits have been taking advantage of CMOS technology scaling in terms of speed, power consump tion, and cost, while the techniques running behind the analog signal processing are still lagging. To decrease this historical gap, there has been an increasing trend in finding alternative IC design strategies to implement typical analog functions exploiting Digital in-Concept Design Methodologies (DCDM). This idea of re-thinking analog functions in digital terms has shown that Analog ICs blocks can also avail of the feature-size shrinking and energy efficiency of new technologies. This thesis deals with the development of DCDM, demonstrating its compatibility for Ultra-Low-Voltage (ULV) and Power (ULP) IoT applications. This work proves this state ment through the proposing of new digital-based analog blocks, such as an Operational Transconductance Amplifiers (OTAs) and an ac-coupled Bio-signal Amplifier (BioAmp). As an initial contribution, for the first time, a silicon demonstration of an embryonic Digital-Based OTA (DB-OTA) published in 2013 is exhibited. The fabricated DB-OTA test chip occupies a compact area of 1,426 µm2 , operating at supply voltages (VDD) down to 300 mV, consuming only 590 pW while driving a capacitive load of 80pF. With a Total Harmonic Distortion (THD) lower than 5% for a 100mV input signal swing, its measured small-signal figure of merit (FOMS) and large-signal figure of merit (FOML) are 2,101 V −1 and 1,070, respectively. To the best of this thesis author’s knowledge, this measured power is the lowest reported to date in OTA literature, and its figures of merit are the best in sub-500mV OTAs reported to date. As the second step, mainly due to the robustness limitation of previous DB-OTA, a novel calibration-free digital-based topology is proposed, named here as Digital OTA (DIG OTA). A 180-nm DIGOTA test chip is also developed exhibiting an area below the 1000 µm2 wall, 2.4nW power under 150pF load, and a minimum VDD of 0.25 V. The proposed DIGOTA is more digital-like compared with DB-OTA since no pseudo-resistor is needed. As the last contribution, the previously proposed DIGOTA is then used as a building block to demonstrate the operation principle of power-efficient ULV and ultra-low area (ULA) fully-differential, digital-based Operational Transconductance Amplifier (OTA), suitable for microscale biosensing applications (BioDIGOTA) such as extreme low area Body Dust. Measured results in 180nm CMOS confirm that the proposed BioDIGOTA can work with a supply voltage down to 400 mV, consuming only 95 nW. The BioDIGOTA layout occupies only 0.022 mm2 of total silicon area, lowering the area by 3.22X times compared to the current state of the art while keeping reasonable system performance, such as 7.6 Noise Efficiency Factor (NEF) with 1.25 µVRMS input-referred noise over a 10 Hz bandwidth, 1.8% of THD, 62 dB of the common-mode rejection ratio (CMRR) and 55 dB of power supply rejection ratio (PSRR). After reviewing the current DCDM trend and all proposed silicon demonstrations, the thesis concludes that, despite the current analog design strategies involved during the analog block development

As interpretações do Brasil de Caio Prado Jr. e Nelson Werneck Sodré: Um debate sobre a revolução brasileira

Analise das interpretações do Brasil de Caio Prado Jr. e Nelson Werneck Sodré, com o intuito de, ao revisitar tal debate, recuperar alguns elementos essenciais para pensar as transformações do Brasil presente. A partir de uma definição de interpretação do Brasil se procura demonstrar a contribuição destes autores para a adaptação do marxismo a realidade brasileira, associando esta leitura do processo histórico desta formação social a um projeto político de intervenção na realidade. Assim se evidencia a ligação entre estas interpretações marxistas do brasil e suas respectivas teorias de Revolução Brasileira

Apontamentos sobre o conceito de essência humana em Marxismo e Antropologia, de György Márkus

First book written by György Márkus (1934-2016) aiming the international public, Marxism and Anthropology: the concept of 'human essence' in Marx's philosophy is an unavoidable reference in the Marxist debate on the subject. In this article I place the text of Márkus in the production of the Budapest School, a group of intellectuals organized around György Lukács throughout the 1960s, exploring their relation with the reflection of the mature Lukács, and through the elements mobilized from this reflection I present a critical review of Marxism and Anthropology. As main conclusions, I highlight the concept of the mobile substance underlying the characterization of human essence present in both authors, besides the fact that the extrapolation of the developmental tendencies of the social being typified by Lukács lead to the characterization of the human being as a natural, social, consciously and tendentially proposed by Márkus. So I hope to contribute for advancing a proper understanding of the relationship between the work of Marcus and the Budapest School, mapping the echoes of the influence of his mentor Lukacs.El primer libro de György Márkus (1934-2016) dirigido al público internacional, Marxismo y Antropología: el concepto de 'esencia humana' en la filosofía de Marx es una referencia indispensable en el debate marxista sobre el tema. En este artículo sitúa el texto de Márkus en la producción de la Escuela de Budapest, grupo de intelectuales organizados en torno a György Lukács a lo largo de los años 1960, explotando su relación con la reflexión del Lukács maduro, ya partir de elementos movilizados de esta reflexión presento una revisión crítica de Marxismo y Antropología. Como principales conclusiones, destaco el concepto de sustancia móvil subyacente a la caracterización de esencia humana presente en ambos autores, además del hecho de la extrapolación de las tendencias de desarrollo del ser social tipificadas por Lukács apuntar a la caracterización del ser humano como ser natural, social, consciente y tendencialmente universal propuesta por Márkus. Así espero contribuir a avanzar en una comprensión adecuada de la relación entre la obra de Márkus y la Escuela de Budapest y mapear los ecos de la influencia de su mentor Lukács.Le premier livre de György Márkus (1934-2016) destiné au public international, Le Marxisme et L'anthropologie: le concept d '«essence humaine» dans la philosophie de Marx, est une référence incontournable dans le débat marxiste sur le sujet. Dans cet article, je situe le texte de Márkus dans la production de l’École de Budapest, un groupe d’intellectuels organisés autour de György Lukács tout au long des années 1960, j’explore leur relation avec le reflet du Lukács mûr et les éléments mobilisés à partir de cette réflexion, et exame critique du Le Marxisme et L'anthropologie. En guise de conclusions principales, je souligne le concept de la substance mobile sous-jacente à la caractérisation de l’essence humaine présente chez les deux auteurs, outre le fait que l’extrapolation des tendances développementales de l’être social caractérisé par Lukács suggère que la caractérisation de l’être humain est naturelle, sociale, conscient et tendancieusement proposé par Márkus. J'espère donc contribuer à faire mieux comprendre la relation entre le travail de Marcus et l'école de Budapest et à cartographier les échos de l'influence de son mentor, Lukacs.Primeiro livro de György Márkus (1934-2016) voltado ao público internacional, Marxismo e Antropologia: o conceito de ‘essência humana’ na filosofia de Marx é uma referência incontornável no debate marxista sobre o tema. Neste artigo situo o texto de Márkus na produção da Escola de Budapeste, grupo de intelectuais organizados em torno de György Lukács ao longo dos anos 1960, exploro a sua relação com a reflexão do Lukács maduro, e a partir de elementos mobilizados desta reflexão apresento uma reapreciação crítica de Marxismo e Antropologia. Como principais conclusões, destaco o conceito de substância móvel subjacente à  caracterização de essência humana presente em ambos os autores, além do fato da extrapolação das tendências de desenvolvimento do ser social tipificadas por Lukács apontarem para a caracterização do ser humano como ser natural, social, consciente e tendencialmente universal proposta por Márkus. Assim espero contribuir para avançar em uma compreensão adequada da relação entre a obra de Márkus e a Escola de Budapeste e mapear os ecos da influência de seu mentor Lukács

Identificação de distâncias de rodovias a massas de água e a sua relação com o atropelamento de anfíbios. Detecção de limiares

As estradas podem exercer impactos negativos significativos na fauna vertebrada. Os anfíbios são um dos grupos mais afetados. Este estudo baseia-se na dependência deste grupo em relação à disponibilidade de água, para identificar limiares de distância das rodovias às massas de água que minimizem os riscos de atropelamento dos anfíbios. No sul de Portugal, foram medidas distâncias de quatro troços de estradas às massas de água circundantes e relacionadas estas distâncias com a localização dos atropelamentos de anfíbios registados nos mesmos troços de estrada ao longo de dois anos de monitorização diária. Foi possível determinar limiares de distância à estrada na mortalidade de anfíbios em sete grupos/espécies: Total de anfíbios 424 m (±115 m), Caudata 506 m (±74 m), Anura 420 m (±154 m), sapos 511 m (±86 m), rãs 72 m (±33 m), Pleurodeles waltl 504 m (± 79 m) e Discoglossus galganoi 81 m (±43 m). Estes dados permitem prever zonas críticas de atropelamento e assim evitá-las ou adaptá-las ao atravessamento seguro de anfíbios; “Identifying distances from roadways to water bodies and its relationship with amphibian roadkill. Threshold detection.” Abstract: Roads can have significant negative impacts on vertebrate wildlife. Amphibians are a particularly affected group. This study is based on the dependence of this faunal group in relation to water availability, to identify distance thresholds from roadways to water bodies that minimize the risk of amphibian roadkills. In southern Portugal, the distances of four sections of roads to nearby bodies of water were measured and related with the location of amphibian roadkills recorded in the same sections of road over two years of daily monitoring. Thresholds for the effect of distance to water on roadkills were found for 7 groups/species: Total amphibians 424 m (± 115 m), Caudata 506 m (± 74 m), Anura 420 m (± 154 m), toads 511 m (± 86m), frogs 72 m (± 33 m), Pleurodeles waltl 504 m (± 79 m) and Discoglossus galganoi 81 m (± 43 m). This information can help predict critical roadkill sections as to avoid or adapt them for secure amphibian crossing of roads

Integration of DNA-based approaches in aquatic ecological assessment using benthic macroinvertebrates

Benthic macroinvertebrates are among the most used biological quality elements for assessing the condition of all types of aquatic ecosystems worldwide (i.e., fresh water, transitional, and marine). Current morphology-based assessments have several limitations that may be circumvented by using DNA-based approaches. Here, we present a comprehensive review of 90 publications on the use of DNA metabarcoding of benthic macroinvertebrates in aquatic ecosystems bioassessments. Metabarcoding of bulk macrozoobenthos has been preferentially used in fresh waters, whereas in marine waters, environmental DNA (eDNA) from sediment and bulk communities from deployed artificial structures has been favored. DNA extraction has been done predominantly through commercial kits, and cytochrome c oxidase subunit I (COI) has been, by far, the most used marker, occasionally combined with others, namely, the 18S rRNA gene. Current limitations include the lack of standardized protocols and broad-coverage primers, the incompleteness of reference libraries, and the inability to reliably extrapolate abundance data. In addition, morphology versus DNA benchmarking of ecological status and biotic indexes are required to allow general worldwide implementation and higher end-user confidence. The increased sensitivity, high throughput, and faster execution of DNA metabarcoding can provide much higher spatial and temporal data resolution on aquatic ecological status, thereby being more responsive to immediate management needs.This work was supported by the "Contrato-Programa" UIDB/04050/2020 and the project NIS-DNA (PTDC/BIA-BMA/29754/2017) funded by national funds through the FCT I.P (Foundation for Science and Technology). Financial support granted by the FCT to S.D. (CEECIND/00667/2017) and B.R.L. (PD/BD/127994/2016) is also acknowledged. A.F.F. was supported by the project FRESHING founded by the FCT and COMPETE (PTDC/AAGMAA/2261/2014-POCI-01-0145-FEDER356016824). M.J.F. was supported by FCT through MARE strategic project UIDB/04292/2020 and Norma Transitoria-DL57/2016