Tijd-gebaseerde biomedische uitlees-circuits in low-voltage nanometer CMOS

Gepersonaliseerde toepassingen in de gezondheidszorg vereisen het low-cost uitlezen van sensors met een compacte oppervlakte die meerdere signaalmodaliteiten kunnen verwerven. Dit vereist sensorcircuits die nauwkeurig zijn en beschikken over uitgebreide mogelijkheden voor informatieverwerking, terwijl ze kunnen werken met lage voedingsspanningen. Een belangrijke uitdaging om deze vereiste te bereiken, is het ontwerpen van een krachtige en gebiedsefficiënte analoge front-end (AFE) in een lage voedingsspanning en / of een kleinschalige CMOS-technologie.

In dit proefschrift wordt aangetoond dat de belangrijkste reden hiervoor de beperkte spanningsruimte door de lage spanningstoevoer is. Andere uitdagingen die ontstaan, zijn het verkleinen van de grootte van de transistors, wat resulteert in een toename van flikkerruis, een toename in lekstroom doorheen de gate, een afname van de intrinsieke versterking van de transistor en het feit dat het gebied van on-chip passieve componenten niet mee naar beneden schaalt met de technologie. Elk van deze uitdagingen en hun bestaande oplossingen worden in dit proefschrift in detail besproken.

Het centrale doel van dit proefschrift is om aan te tonen dat het grotere dynamische bereik dat beschikbaar is in het tijdsdomein kan worden gebruikt om het probleem van de beperkte spanningsruimte te overbruggen en daardoor stroom- en oppervlakte-efficiënte analoge circuits te ontwerpen. Hiertoe wordt een belangrijke spanning-naar-tijd omzetblok voorgesteld: een op tijd gebaseerde loop. Het bestaat in wezen uit een comparator met een 1-bit DAC en een integrator in feedback. Hoewel deze architectuur reeds eerder is gebruikt in toepassingen zoals ADC's, communicatie en energieregeling, is deze nog nooit specifiek geanalyseerd en geïmplementeerd voor biomedische toepassingen. Om dit te doen, ontwikkelen we in dit proefschrift vergelijkingen met een klein signaal voor de versterking, de loopversterking en de ruisprestaties van de loop. Deze worden vervolgens gebruikt om het ontwerp te optimaliseren en bijgevolg stellen we ons in staat belangrijke voordelen te behalen m.r.t. state-of-the-art ontwerpen.

Om de haalbaarheid van het voorgestelde concept te verifiëren, zijn twee prototypen voor ECG-uitlezing, die elk op een andere toepassing zijn gericht, ontworpen, geïmplementeerd en gemeten. Bij de eerste implementatie is een op tijd gebaseerde instrumentatieversterker (IA) ontworpen in 180nm CMOS-technologie voor een prototype-ECG-uitleesapplicatie. Hij kan werken met 0.35 V, terwijl hij een vermogen van 210 nW verbruikt. Bij traditionele spanningsdomeincircuits met onvoldoende spanningsruimte is het ontwerp van een energiezuinige en hoge-versterking opamp een van de belangrijkste uitdagingen om te werken bij een dergelijke lage voedingsspanning. In dit proefschrift laten de gemeten resultaten van de op tijd gebaseerde IA echter, dankzij de voorgestelde tijd-gebaseerde operatie, een verbetering zien van > 3x in energieverbruik voor een vergelijkbare versterking m.r.t de “state-of-the-art”. Dit ontwerp is relevant voor uitlezingen die zijn vereist in sensortoepassingen met een lange levensduur.

In de tweede implementatie is een op tijd gebaseerde analoge front-end (AFE) voor ECG-uitlezing ontworpen in 40 nm CMOS-technologie die kan werken bij 0.6 V, terwijl het een vermogen van 3.3 μW en een siliciumoppervlak van 0.015 mm2 verbruikt. Het circuit kan een 40 mVpp AC-ingangssignaal en + 150 mV DC-electrode-offset aan. In een kleinschalige CMOS-technologie, zoals 40 nm CMOS, staan bestaande op spanning gebaseerde AFE ontwerptechnieken voor een uitdagende afweging tussen het oppervlakteverbruik, het energieverbruik en het dynamische bereik. In deze implementatie stelt de tijdsdomeinwerking ons in staat om de beperkte spanningsruimte te overwinnen. Het helpt ons ook om het probleem van de verminderde intrinsieke versterking te overwinnen door het gebruik van schaalbare blokken zoals dynamische comparators mogelijk te maken. Flikkerruis wordt verminderd door gebruik te maken van de chopping-techniek. De meetresultaten tonen een verbetering aan van > 5x dynamisch bereik i.v.m. de “state-of-the-art” met vergelijkbare oppervlakte- en stroomverbruik.

Deze prototypeontwerpen maken niet alleen low-cost, energiezuinige sensoroplossingen voor gepersonaliseerde gezondheidszorgtoepassingen mogelijk, maar openen ook andere wegen voor analoog ontwerp voor een ultra-lage voedingsspanning en / of een kleinschalige CMOS-technologie.