Dissertação de mestrado em Biomedical EngineeringA new energy mechanism needs to be addressed to overcome the battery dependency, and consequently extend
Wireless Sensor Nodes (WSN) lifetime effectively. Energy Harvesting is a promising technology that can fulfill
that premise. This work consists of the realization of circuit components employable in a management system for
a piezoelectric-based energy harvester, with low power consumption and high efficiency. The implementation of
energy harvesting systems is necessary to power-up front-end applications without any battery. The input power
and voltage levels generated by the piezoelectric transducer are relatively low, especially in small-scale systems,
as such extra care has to be taken in power consumption and efficiency of the circuits.
The main contribution of this work is a system capable of amplifying, rectifying and switching the unstable
signal from an energy harvester source. The circuit components are designed based on 0.13 Complementary
Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technology.
An analog switch, capable of driving the harvesting circuit at a frequency between 1 and 1 , with
proper temperature behaviour, is designed and verified. An OFF resistance of 520.6 Ω and isolation of
−111.24 , grant excellent isolation to the circuit.
The designed voltage amplifier is capable of amplifying a minor signal with a gain of 42.56 , while requiring
low power consumption. The output signal is satisfactorily amplified with a reduced offset voltage of 8 .
A new architecture of a two-stage active rectifier is proposed. The power conversion efficiency is 40.4%, with
a voltage efficiency of up to 90%. Low power consumption of 17.7 is achieved by the rectifier, with the
embedded comparator consuming 113.9 .
The outcomes validate the circuit’s power demands, which can be used for other similar applications in biomedical,
industrial, and commercial fields.Para combater a dependência dos dispositivos eletrónicos relativamente ás baterias é necessário um novo sistema
energético, que permita prolongar o tempo de vida útil dos mesmos. Energy Harvesting é uma tecnologia
promissora utilizada para alimentar dispositivos sem bateria. Este trabalho consiste na realização de componentes
empregáveis num circuito global para extrair energia a partir ds vibrações de um piezoelétricos com baixo
consumo de energia e alta eficiência. Os níveis de potência e voltagem gerados pelo transdutor piezoelétrico são
relativamente baixos, especialmente em sistemas de pequena escala, por isso requerem cuidado extra relativamente
ao consumo de energia e eficiência dos circuitos.
A principal contribuição deste trabalho é um sistema apropriado para amplificar, retificar e alternar o sinal
instável proveniente de uma fonte de energy harvesting. Os componentes do sistema são implementados com
base na tecnologia CMOS com 0.13 .
Um interruptor analógico capaz de modelar a frequência do sinal entre 1 e 1 e estável perante
variações de temperatura, é implementado. O circuito tem um excelente isolamento de −111.24 , devido a
uma resistência OFF de 520.6 Ω.
O amplificador implementado é apto a amplificar um pequeno sinal com um ganho de 42.56 e baixo
consumo. O sinal de saída é satisfatoriamente amplificado com uma voltagem de offset de 8 .
Um retificador ativo de dois estágios com uma nova arquitetura é proposto. A eficiência de conversão de
energia atinge os 40.4%, com uma eficiência de voltagem até 90%. O retificador consome pouca energia, apenas
17.7 , incorporando um comparador de 113.9 .
Os resultados validam as exigências energéticas do circuito, que pode ser usado para outras aplicações similares
no campo biomédico, industrial e comercial