Tesi etd-03132025-160902 |
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Tipo di tesi
Tesi di laurea magistrale
Autore
PACINI, DIEGO
URN
etd-03132025-160902
Titolo
Design of a Low-Power Low-Voltage Rail-to-Rail Class-AB CMOS Current Conveyor for Electrochemical Sensor Interfacing
Dipartimento
INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE
Corso di studi
INGEGNERIA ELETTRONICA
Relatori
relatore Prof. Bruschi, Paolo
relatore Dott. Dei, Michele
tutor Ing. Borgioli, Francesco
relatore Dott. Dei, Michele
tutor Ing. Borgioli, Francesco
Parole chiave
- amperometric interfaces
- class AB
- current conveyor
- electrochemical cells
- low voltage
- operational amplifier
Data inizio appello
14/04/2025
Consultabilità
Non consultabile
Data di rilascio
14/04/2095
Riassunto
Questa tesi si propone di implementare un Current Conveyor per applicazioni ULV (Ultra Low Voltage) impiegato in un’interfaccia per sensori elettrochimici di tipo amperometrico. Il Current Conveyor è destinato ad essere integrato in un progetto nato dalla collaborazione fra il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa e l'azienda STMicroelectronics (STM).
L’obiettivo principale è la progettazione di blocchi circuitali innovativi per applicazioni ULV, compatibili con sistemi autonomi dal punto di vista energetico e privi di batterie. In base alle specifiche di progetto, il Current Conveyor deve operare con una tensione di alimentazione di 0,9 V e un consumo di corrente inferiore a 5 µA, garantendo al contempo una corrente di segnale superiore a 50 µA. Tali requisiti impongono la realizzazione di uno stadio di uscita in classe AB. Ulteriori complessità derivano dalla necessità di garantire una dinamica di ingresso/uscita rail-to-rail, considerando che il processo tecnologico adottato presenta una tensione di soglia dei transistor di valore prossimo alla tensione di alimentazione. Inoltre, il Current Conveyor deve essere in grado di gestire elevate capacità di carico, comprese tra 100 pF e 10 nF, assicurando un adeguato margine di stabilità. Un ulteriore requisito fondamentale consiste nella capacità del dispositivo di assorbire e fornire la corrente di segnale, mantenendo un buon cortocircuito virtuale tra i suoi ingressi.
Nel corso dello studio, sono state analizzate e simulate tre diverse configurazioni di Current Conveyor:
• una configurazione basata su una nuova struttura di amplificatore a singolo stadio in classe AB;
• una configurazione basata sull’amplificatore a due stadi in classe AB proposto da J. H. Huijsing;
• una configurazione che utilizza un amplificatore a due stadi, in cui un primo stadio folded-cascode è seguito dal nuovo amplificatore a singolo stadio in classe AB.
La terza configurazione è risultata essere l’architettura definitiva. Sono state inoltre analizzate ulteriori topologie a singolo stadio di guadagno, le quali, tuttavia, hanno mostrato prestazioni inferiori rispetto alla soluzione a due stadi.
I risultati ottenuti nel corso della ricerca si sono rivelati significativi, tra cui lo sviluppo di una nuova topologia di amplificatore a singolo stadio in classe AB. Inoltre, tutte le strutture implementate si avvalgono di tecniche di progettazione innovative e avanzate. I risultati finali sono da considerarsi promettenti, poiché soddisfano i parametri di progetto nonostante le stringenti specifiche imposte dall’integrazione del Current Conveyor in sistemi wearable e dalle peculiarità della tecnologia adottata.
L’obiettivo principale è la progettazione di blocchi circuitali innovativi per applicazioni ULV, compatibili con sistemi autonomi dal punto di vista energetico e privi di batterie. In base alle specifiche di progetto, il Current Conveyor deve operare con una tensione di alimentazione di 0,9 V e un consumo di corrente inferiore a 5 µA, garantendo al contempo una corrente di segnale superiore a 50 µA. Tali requisiti impongono la realizzazione di uno stadio di uscita in classe AB. Ulteriori complessità derivano dalla necessità di garantire una dinamica di ingresso/uscita rail-to-rail, considerando che il processo tecnologico adottato presenta una tensione di soglia dei transistor di valore prossimo alla tensione di alimentazione. Inoltre, il Current Conveyor deve essere in grado di gestire elevate capacità di carico, comprese tra 100 pF e 10 nF, assicurando un adeguato margine di stabilità. Un ulteriore requisito fondamentale consiste nella capacità del dispositivo di assorbire e fornire la corrente di segnale, mantenendo un buon cortocircuito virtuale tra i suoi ingressi.
Nel corso dello studio, sono state analizzate e simulate tre diverse configurazioni di Current Conveyor:
• una configurazione basata su una nuova struttura di amplificatore a singolo stadio in classe AB;
• una configurazione basata sull’amplificatore a due stadi in classe AB proposto da J. H. Huijsing;
• una configurazione che utilizza un amplificatore a due stadi, in cui un primo stadio folded-cascode è seguito dal nuovo amplificatore a singolo stadio in classe AB.
La terza configurazione è risultata essere l’architettura definitiva. Sono state inoltre analizzate ulteriori topologie a singolo stadio di guadagno, le quali, tuttavia, hanno mostrato prestazioni inferiori rispetto alla soluzione a due stadi.
I risultati ottenuti nel corso della ricerca si sono rivelati significativi, tra cui lo sviluppo di una nuova topologia di amplificatore a singolo stadio in classe AB. Inoltre, tutte le strutture implementate si avvalgono di tecniche di progettazione innovative e avanzate. I risultati finali sono da considerarsi promettenti, poiché soddisfano i parametri di progetto nonostante le stringenti specifiche imposte dall’integrazione del Current Conveyor in sistemi wearable e dalle peculiarità della tecnologia adottata.
File
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La tesi non è consultabile. |
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