Desenvolvimento de um conversor analógico-digital por aproximações sucessivas assíncrono para aplicações biomédicas em CMOS180nm. - Santos, Daniele Santana dos (2023)
A bioimpedância é uma técnica que mapeia a distribuição da impedância elétrica no interior do corpo humano através de eletrodos em contato com a pele. Estas informações demonstram o quão bem o corpo impede o fluxo de corrente. Um sistema genérico de espectroscopia por impedância elétrica (EIE) é composto por quatro partes principais: um controlador digital, um estimulador de corrente, um circuito de chaveamento e um CI (circuito integrado) de instrumentação. Para fazer o processamento do sinal entre o domínio analógico e digital é necessário um controlador digital de sinais, o qual realiza a interface entre o circuito integrado e o algoritmo de reconstrução. Um sinal senoidal com uma determinada frequência é gerado digitalmente pelo controlador digital e convertido para domínio analógico por meio de um conversor digital-analógico (do inglês, DAC). O sinal gerado é diferencialmente injetado na pele através de um circuito estimulador de corrente. Os sinais de tensão induzidos nos eletrodos de leitura são adquiridos por um amplificador de instrumentação (do inglês, INA), filtrado por um filtro passa-baixa (do inglês, LPF) e amplificado por um amplificador de ganho programável (do inglês, PGA). O sinal de saída do PGA é digitalizado por um ADC para ser processado posteriormente pelo controlador digital. A espectroscopia por impedância elétrica (EIE) é uma técnica de análise de bioimpedância que tem demonstrado eficiência na detecção de várias néoplatias, tais como: o câncer de mama, de útero, cervical e de pulmão. A técnica EIE é de baixo custo, portátil, rápida, não invasiva, não ionizante e livre de irradiações. O principal objetivo deste trabalho foi desenvolver um conversor analógico-digital por aproximações sucessivas (SAR) de modo assíncrono e diferencial. Os ADCs do tipo SAR têm sido amplamente utilizados em aplicações de baixo consumo de potência com precisão e velocidade relativamente altos. Apesar da arquitetura de conversores sigma-delta apresentar altas resoluções para aplicações biomédicas, o domínio das técnicas SAR para definir novas métricas de resolução prevalecem. Além disso, o consumo de potência da arquitetura SAR pode ser reduzida por meio do uso de métodos eficientes em termos de consumo do chaveamento capacitivo e de comparadores dinâmicos de baixo consumo. Este trabalho propõe o desenvolvimento de um SAR ADC assíncrono de baixa potência de 9bits e 10MS/s. As simulações pós-leiaute, implementadas de acordo com as regras de customização da tecnologia CMOS de 180nm, resultaram em um SFDR de 63,37dB e um ENOB de 8,59bits, consumindo 0,979mW com uma fonte de alimentação de 1,8V. O projeto do SAR ADC resultou em uma figura de mérito FOMW de 239,22 fJ/conv-step a 1MHz. Os resultados experimentais demonstraram um tempo de conversão igual a 73,40ns e um período do sinal de clock do comparador igual a 8,40ns.