Circuiti Elettronici Integrati per Applicazioni Battery-less IoT e Dispositivi Biomedici Impiantabili

I progressi nella fabbricazione dei circuiti integrati (IC) hanno permesso la proliferazione di dispositivi Internet-of-Everything, IoE, come dispositivi medici impiantabili (IMD) per reti wireless su scala corporea (WBAN) e smart-tag per elettronica di consumo indossabile/usa e getta per nodi sensori wireless (WSN). Le principali sfide per queste classi di dispositivi riguardano la riduzione dei costi e dell'occupazione di area/volume, portando così alla realizzazione di dispositivi elettronici a bassa invasività e a una maggiore pervasività nella vita quotidiana di dispositivi intelligenti, connessi e sicuri. Questi obiettivi sono raggiunti sostituendo la batteria come principale fonte di energia con soluzioni di energy harvesting (ad es., RF, ultrasuoni, celle fotovoltaiche). Dal punto di vista della progettazione IC, l'adozione di fonti di energy harvesting apre la strada alla progettazione di unità di gestione dell'energia (PMU) sempre più sfidanti per un'efficiente fornitura di energia/potenza agli altri circuiti. Inoltre, l'implementazione di WSN senza batteria per migliorare la vita umana richiede l'adozione di amplificatori operazionali a transconduttanza (OTA) a bassa potenza e basso tensione di alimentazione, le cui specifiche spaziano da alte prestazioni (ad es., alto guadagno e alta larghezza di banda) a consumi ultra-bassi fino al livello di nW, con caratteristiche rilassate a seconda delle applicazioni specifiche. Infine, la possibilità di una comunicazione continua tra dispositivi portatili (ad es., smartphone, smartwatch e tablet) e dispositivi indossabili o impiantabili richiede fortemente una riduzione della potenza del sottosistema di comunicazione (TX/RX) al di sotto del livello di micro-Watt, essendo interamente sostenuta dall'energia recuperata. Lo scopo di questa tesi è mostrare molti dei miglioramenti recentemente ottenuti nella progettazione IC per IMD senza batteria (dal Capitolo 1 al Capitolo 3) e dispositivi IoE (dal Capitolo 4 al Capitolo 5). Il lavoro è strutturato come segue. Dopo una breve introduzione che presenta le soluzioni di energy harvesting per WBAN e WSN, il Capitolo 1 mostra le validazioni sperimentali di un raddrizzatore attivo ad alta efficienza per dispositivi impiantabili alimentati da una fonte di energia a ultrasuoni. La dimostrazione del circuito è presentata e il circuito è implementato in una tecnologia CMOS bulk a 28 nm fornita da TSMC. Il Capitolo 2 presenta una revisione e una modellazione in Verilog-A di raddrizzatori attivi regolati, come argomento di grande attualità per IMD, per soluzioni di gestione dell'energia/potenza a minore area e maggiore efficienza. Nel Capitolo 3 viene presentata la progettazione e validazione su silicio (tecnologia TSMC a 180 nm) di un OTA a 4 stadi e 0.6 V per circuiti di regolazione e sensori ad alte prestazioni. Il Capitolo 4 introduce una nuova topologia di Digital-OTA (DigOTA) per la scalabilità sia nella tecnologia di processo sia nel consumo di energia. Il circuito proposto mostra un consumo energetico di circa 90 nW e una larghezza di banda di 166.6 kHz, operando con una tensione di alimentazione di 0.3 V. Il modello analitico è presentato e validato attraverso simulazioni e misurazioni sperimentali in una tecnologia a 28 nm. Il Capitolo 5 mostra la progettazione e la validazione su silicio del primo trasmettitore WiFi 802.11b a backscattering con consumo inferiore al micro-Watt, alimentato unicamente da una fonte di energia a 2.4 GHz (senza batteria). È presentata anche una prova di concetto per il rilevamento del movimento/posizione basato sulla potenza del segnale ricevuto (RSS) del sistema proposto. Il sistema è implementato con una tecnologia di processo a 180 nm e validato sotto variazioni di processo, tensione e temperatura (PVT). È inoltre dimostrata la conformità allo standard WiFi 802.11b. Infine, nel Capitolo 6 vengono tratte le conclusioni.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2024

Author dc:creator

• PRIVITERA, MARCO

Contributors dc:contributor

• GRASSO, ALFIO DARIO

• Battery-le
• Harvesting
• CMOS
• Backscattering
• DigOTA
• AC/DC
• OTA
• WiFi
• Implantable Medical Devices
• Dispositivi Biomedici Impiantabili

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

ita

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/658170

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/658170