Circuito de leitura de ISFET melhorado aplicável à leitura de PH: caracterização e comparação
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Data de Publicação: | 2019 |
Outros Autores: | |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFAM |
Texto Completo: | https://tede.ufam.edu.br/handle/tede/7796 |
Resumo: | Este trabalho apresenta o projeto a nível de simulações BSIM3V3 de uma topologia de circuito de condicionamento tanto na versão integrada (tecnologia metal-4 polisilício-2 - CMOS 0,35µm) quanto discreta para leitura de sensores ISFET (Transistor de Efeito de Campo Sensível a Íons). A topologia de condicionamento desenvolvida tem algumas vantagens em relação a topologias tradicionais que na maioria são CVCC (Tensão Constante e Corrente Constante) em três aspectos: sensibilidade maior que a convencional (201,736mV/pH x 59mV/pH), linearidade bem próxima de 1. Além de ler pH na faixa de 3 a 12 inteira com sensibilidade de 201,736mV/pH, tal circuito também oferece uma forma de ajuste que permite que suas leituras sejam feitas por faixas, onde deve-se fazer ajustes no dimensional dos transistores N e P na etapa de fabricação (versão integrada) e aplicar diferentes valores de tensão ao seu Eletrodo de Referência para que seja possível a leitura do pH com sensibilidade ainda maior que a convencional com a mesma topologia, porém dimensionada de forma diferente, possibilitando-se atingir a sensibilidade de 480mV/pH. Podemos então ler três faixas intercaladas de pH, por exemplo: faixa 1 - pH 3 a 7; faixa 2 - pH 6 a 10; faixa 3 - 8 a 12.Na versão discreta o mesmo pode ser feito através dos resistores de polarização (RP e RN) do circuito tanto para leitura da faixa de pH 3 a 12 quanto para leitura por faixas (as mesmas faixas 1, 2 e 3). Para tanto pode-se utilizar três circuitos aplicados à uma matriz de ISFETs, cada um com uma tensão de Eletrodo de Referência diferente ou apenas um circuito aplicado a um ISFET com essa mesma tensão microcontrolada. Foram feitas análises de ruído de saída, relação Sinal-Ruído e simulações de Monte Carlo com o objetivo de demonstrar a robustez do circuito a ruídos e variações intrínsecas aos componentes da topologia. Resultados mostram que o circuito tanto em sua versão integrada quanto discreta apresentam resultados bastante satisfatórios às aplicações desejadas com baixa taxa de ruído e robustez a variações nas duas versões apresentadas (integrada e discreta) foi comprovado também que seu funcionamento é similar em ambas as versões do cirucito, validando-se a topologia em si. |
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Circuito de leitura de ISFET melhorado aplicável à leitura de PH: caracterização e comparaçãoImproved ISFET readout circuit: characterization and comparisonTopologia de circuito de condicionamentoTransistor de Efeito de Campo Sensível a ÍonsTensão Constante e Corrente ConstanteResistor de polarizaçãoBSIM3V3ENGENHARIAS: ENGENHARIA ELÉTRICAISFETCircuito de Leitura AIS ComplementarLTSpice IVSensibilidade e Linearidade aumentadasLeitura por Faixas de pHEste trabalho apresenta o projeto a nível de simulações BSIM3V3 de uma topologia de circuito de condicionamento tanto na versão integrada (tecnologia metal-4 polisilício-2 - CMOS 0,35µm) quanto discreta para leitura de sensores ISFET (Transistor de Efeito de Campo Sensível a Íons). A topologia de condicionamento desenvolvida tem algumas vantagens em relação a topologias tradicionais que na maioria são CVCC (Tensão Constante e Corrente Constante) em três aspectos: sensibilidade maior que a convencional (201,736mV/pH x 59mV/pH), linearidade bem próxima de 1. Além de ler pH na faixa de 3 a 12 inteira com sensibilidade de 201,736mV/pH, tal circuito também oferece uma forma de ajuste que permite que suas leituras sejam feitas por faixas, onde deve-se fazer ajustes no dimensional dos transistores N e P na etapa de fabricação (versão integrada) e aplicar diferentes valores de tensão ao seu Eletrodo de Referência para que seja possível a leitura do pH com sensibilidade ainda maior que a convencional com a mesma topologia, porém dimensionada de forma diferente, possibilitando-se atingir a sensibilidade de 480mV/pH. Podemos então ler três faixas intercaladas de pH, por exemplo: faixa 1 - pH 3 a 7; faixa 2 - pH 6 a 10; faixa 3 - 8 a 12.Na versão discreta o mesmo pode ser feito através dos resistores de polarização (RP e RN) do circuito tanto para leitura da faixa de pH 3 a 12 quanto para leitura por faixas (as mesmas faixas 1, 2 e 3). Para tanto pode-se utilizar três circuitos aplicados à uma matriz de ISFETs, cada um com uma tensão de Eletrodo de Referência diferente ou apenas um circuito aplicado a um ISFET com essa mesma tensão microcontrolada. Foram feitas análises de ruído de saída, relação Sinal-Ruído e simulações de Monte Carlo com o objetivo de demonstrar a robustez do circuito a ruídos e variações intrínsecas aos componentes da topologia. Resultados mostram que o circuito tanto em sua versão integrada quanto discreta apresentam resultados bastante satisfatórios às aplicações desejadas com baixa taxa de ruído e robustez a variações nas duas versões apresentadas (integrada e discreta) foi comprovado também que seu funcionamento é similar em ambas as versões do cirucito, validando-se a topologia em si.This work presents the project at the level of BSIM3V3 simulations of a conditioning circuit topology both in the integrated version (polysilicon metal-4 technology - 0.35µm CMOS) and discrete for reading ISFET sensors (Ion Sensitive Field Effect Transistor). The conditioning topology developed has some advantages over traditional topologies that are mostly CVCC (Constant Voltage and Constant Current) in three aspects: higher than conventional sensitivity (201.736mV / pH x 59mV / pH), linearity very close to 1. In addition to reading pH in the entire 3 to 12 range with a sensitivity of 201.736mV / pH, this circuit also offers an adjustment form that allows its readings to be made by ranges, where adjustments must be made to the dimensions of transistors N and P in the manufacturing stage (integrated version) and apply different voltage values to your Reference Electrode so that it is possible to read the pH with an even higher sensitivity than the conventional one with the same topology, but sized differently, making it possible to reach the sensitivity of 480mV / pH. We can then read three interspersed pH ranges, for example: range 1 - pH 3 to 7; range 2 - pH 6 to 10; ranges 3 -8 to 12. In the discrete version, the same can be done through the polarization resistors (RP and RN) of the circuit, both for reading the pH range 3 to 12 and for reading by ranges (the same ranges 1, 2 and 3). For that, one can use three circuits applied to an ISFET matrix, each with a different Reference Electrode voltage or just one circuit applied to an ISFET with that same micro controlled voltage. Output noise analysis, Signal-to-Noise ratio and Monte Carlo simulations were carried out in order to demonstrate the robustness of the circuit to noise and variations intrinsic to the components of the topology. Results show that the circuit, both in its integrated and discrete version, presents very satisfactory results to the desired applications with low noise rate and robustness to variations in the two versions presented (integrated and discrete). It was also proven that its operation is similar in both versions of the circuit, validating the topology itself.FAPEAM - Fundação de Amparo a Pesquisa no Estado do AmazonasUniversidade Federal do AmazonasFaculdade de TecnologiaBrasilUFAMPrograma de Pós-graduação em Engenharia ElétricaCruz, Carlos Augusto de Moraeshttp://lattes.cnpq.br/4703865680016516Marques, Greicy Costahttp://lattes.cnpq.br/7674926694884819Santos Junior, Carlos Raimundo Pereira doshttp://lattes.cnpq.br/9348888833093334Castro, Luís Smith Oliveira dehttp://lattes.cnpq.br/03657284246116982020-05-27T21:23:35Z2019-11-11info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfCASTRO, Luís Smith Oliveira de. Circuito de leitura de ISFET melhorado aplicável à leitura de PH: caracterização e comparação. 2019. 89 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal do Amazonas, Manaus, 2019.https://tede.ufam.edu.br/handle/tede/7796porhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFAMinstname:Universidade Federal do Amazonas (UFAM)instacron:UFAM2020-05-28T05:03:43Zoai:https://tede.ufam.edu.br/handle/:tede/7796Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://200.129.163.131:8080/PUBhttp://200.129.163.131:8080/oai/requestddbc@ufam.edu.br||ddbc@ufam.edu.bropendoar:65922020-05-28T05:03:43Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFAM - Universidade Federal do Amazonas (UFAM)false |
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