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Title: Uma nova abordagem de projeto de amplificadores integrados para biopotenciais, baseados em pseudo-resistores não lineares
Authors: Benko, Pedro Luiz
Advisor: Giacomini, R.
Issue Date: 2016
Abstract: Biopotenciais aparecem como resultado de atividades eletroquímicas de certos tipos de células, conhecidas como células excitáveis, existentes em tecidos nervosos, musculares e glandulares. Essas células possuem um potencial de repouso e quando estimuladas geram potenciais transitórios eletroquímicos de ação. A transformação desses potenciais eletroquímicos para sinais eletrônicos mensuráveis é realizada por dispositivos chamados eletrodos-eletrólitos, que realizam a interface entre a pele e sistemas de medição. De forma geral, os biopotenciais captados apresentam níveis contínuos (CC) intrínsecos muito altos em relação ao sinal de interesse, bem como alto nível de ruído, alta impedância de saída e baixa frequência. Amplificadores utilizados para formatarem esses sinais, devem possuir: largura de banda limitada, alta estabilidade de ganho; frequência de corte inferior adequada; baixa distorção; baixo ruído intrínseco (“flicker” e térmico); remoção dos níveis CC intrínsecos dos sinais; alta impedância de entrada e baixa de saída; alta rejeição de ruídos de modo comum; rápida recuperação do sinal de saída após transitório CC e amplificação adequada. Essa pesquisa estudou e analisou o estado da arte em topologias de implementações de circuitos integrados, ponderando vantagens e desvantagens das opções pesquisadas e propõe uma metodologia para novos projetos e sua avaliação. Isso foi executado através de análises de métodos de projeto de circuitos analógicos, simulações e medidas experimentais. Particularmente é apresentada, como estudo de caso, uma nova solução de pré-amplificador em BiCMOS SiGe tecnologia 0,13µm, a ser instalado diretamente em eletrodos, constituindo eletrodos ativos. Ponderando sobre a instalação direta nos eletrodos, destaca-se a aplicação da estrutura MOS conectada de modo a constituir um resistor de valor ôhmico muito elevado (1011 a 1013 O), conhecido nas publicações como pseudo-resistor. Essa estrutura permite a obtenção de constantes de tempo RC muito elevadas (segundos) com capacitâncias implementadas diretamente na estrutura MOS (alguns pFs). Esse trabalho utiliza essa estrutura e exibe um método pioneiro de caracterização e modelagem para sua aplicação em simulações SPICE. Também é apresentado o projeto e simulação em CMOS tecnologia AMIS 0,50µm para efeito de comparações.
Bio-potentials appearing as a result of electrochemical activity of certain types of cells, known as excitable cells existing in nerve, muscle and glandular tissue. These cells have a resting potential and when stimulated generate electrochemical potentials transient action. The transformation of these electrochemical potentials for measurable electronic signals is carried out by so-called electrode-electrolyte devices, which realize the interface between the skin and measuring systems. In general, the bio-potential obtained has very high intrinsic DC levels relative to the signal of interest, as well as high noise, high impedance output and low frequency. Amplifiers used for former these signs shall have: limited bandwidth, high stability gain; suitable lower cutoff frequency; low distortion; low intrinsic noise (“flicker" and thermal); Removal of the intrinsic DC levels of the signals; high input impedance and low output; High rejection of common mode noise; fast output signal recovery after off-set DC and suitable amplification. This research aims to study and analyze the state of the art topologies of integrated circuit implementations, considering advantages and disadvantages of search options and proposes a methodology for new projects and their evaluation. This study is performed through the analysis of methods of analog circuit design, simulations and experimental measurements. Particularly it is presented as a case study, a new solution preamp in BiCMOS SiGe technology 0,13µm, to be installed directly to electrodes, forming active electrodes. Pondering the direct installation on the electrodes, there is the application of MOS structure connected to constitute a very high ohmic value resistor (1011 to 1013 O), known in the literature as pseudo-resistor. This structure allows obtaining very high RC timing constants (seconds) with capacitances implemented directly in MOS integrated circuit (some pFs). This work uses this structure and exhibits a pioneer method of characterization and modeling for application in SPICE simulations. It also presents the design and simulation of CMOS AMIS 0,50µm technology for comparison purposes.
Keywords: Amplificadores operacionais
Eletrodos
Pseudo-resistor
Publisher: Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo
metadata.dc.identifier.doi: https://doi.org/10.31414/EE.2016.T.128527
URI: https://repositorio.fei.edu.br/handle/FEI/274
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