La microelectrónica y las redes de sensores se encuentran entre las áreas tecnológicas con mayor diversidad de campos de aplicación. Así, dispositivos que antiguamente no requerían nada de inteligencia, hoy en día incorporan procesadores y otros sistemas que facilitan su uso o le agregan funcionalida-des, como permitir su accionamiento a distancia o vericar su estado. En particular, la medicina es una de las disciplinas afectadas con mayor impacto asociado.Día a día, aplicaciones del campo de la tecnología e información se expanden en hospitales alrededor del mundo, encontrando desde disposi-tivos que permiten localizar un paciente dentro del hospital, hasta redes de datos que permiten revisar la historia clínica del paciente aún cuando sus tratamientos anteriores se hayan realizado en otros hospitales, clínicas o incluso consultorios privados. La motivación del presente trabajo es realizar redes de sensores hospitalarias, que incluyan diversos sistemas de medición de variables médicas en pacientes. Durante el tra-bajo realizado se investigaron los dispositivos comerciales exis-tentes para la medición de una serie de parámetros vitales básicos y se decidió abordar el diseño de circuitos integrados de bajo consumo para tres problemas en particular. El primero de ellos es un sensor destinado a la medición de presión endotraqueal en pacientes intubados. El segundo sistema diseñado tiene como función la medición de dosis de suero intravenoso en pacientes internados, así como el control de su dosificación. Finalmente, el tercer circuito consta de un sensor basado en nanotubos de carbono, destinado a la medición de agentes biológicos y gases. Todos los diseños de circuitos integrados se realizaron utilizando herramientas de diseño de esquemáticos, simulación y realización de más-caras, y los circuitos fueron fabricados utilizando un proceso de 0;5 m. Los circuitos fueron verificados en el Laboratorio de Micro y Nano Electrónica de la Universidad Nacional del Sur. / Microelectronics and sensor networks are among the most diverse technological areas of applied sciences. Devices that previously did not require any intelligence, nowadays incorporate processors and other systems that facilitate their use or add features, such as allowing their remote operation or checking their status. Medicine is one of the areas of science with greater associated impact. Day by day, information and technology applications expand in hospitals around the world, ranging from devices that locate a patient within the hospital, to dta networks that allow the revision of the patients medical history, even when previous treatments were performed at other hospi-tals, clinics or private practices.The motivation of this work is to design hospital sensor networks, including systems to measure health variables in patients. During this work, existing commercial devices for measuring a number of basic and vital parameters were investigated and it was decided to address the design of low power integrated circuits for three particular issues. The first is a sensor for the measurement of pressure in endotra-cheal intubated patients. The second design is a system for the measurement and control of the infusion of liquid substances in intravenous therapy. Finally, the third circuit consists of a sensor based on carbon nanotubes, intended for the measurement of biological agents and gases. The integrated circuits designs were made using schematic design, simulation and layout tools, and circuits were fabricated using a 0;5 m process. The circuits were tested in the Laboratorio de Micro y Nano Electrónica at the Universidad Nacional del Sur.

Este trabajo se centra en los amplificadores de muy bajo ruido y micro-consumo de potencia, tomando como ejemplo la detección de señales nerviosas (ENG) para su aplicación en dispositivos implantables. Si bien el ancho de banda de las señales médicas es reducido, como son en muchos casos de amplitud extremadamente pequeña, la principal dificultad para el diseño de circuitos será el bajo ruido combinado con micro o nano-consumo de potencia. En efecto, existe una relación de compromiso conocida entre ruido a la entrada y consumo de corriente en un amplificador que el diseñador debe optimizar. Este trabajo esencialmente intenta responder la pregunta: ¿cómo aprovechar al máximo la energía disponible en la batería de un implante para alimentar un amplificador de muy bajo ruido? A lo largo de esta tesis se presentarán técnicas innovadoras de circuito para aprovechar mejor la energía disponible. En primer lugar, se analiza el uso de los espejos activos como sustitución de los espejos de corriente de dos transistores tradicionales. Se estudiaron analíticamente y mediante simulaciones las ventajas y desventajas; luego se diseñó, fabricó y caracterizó un espejo de corriente activo que funciona como fuente de corriente de 10μA con menos de 100mV de caída de voltaje en una tecnología de 0.6μm. En segundo lugar, se presenta la idea de reutilización de corriente apilando sucesivos pares diferenciales como forma de aprovechar todo el rango de tensión de la batería en un circuito analógico. Se demuestra en forma analítica y con medidas sobre un circuito fabricado, que la técnica es extremadamente eficiente en el compromiso entre consumo de corriente y ruido. Se diseñó, fabricó, y caracterizó un amplificador para señales ENG que apila doce pares diferenciales de entrada funcionando con una batería de 3.6V (nominales), con un consumo total de 16.5μA y una ganancia en la banda pasante de ≈80dB. Tiene un ancho de banda de 4kHz y el ruido medido a la entrada de 4.5nV/Hz1/2@1kHz y 330nVrms en la banda de interés. El amplificador tiene un NEF medido de 0.84, incluso considerando el consumo de todos los circuitos auxiliares, lo cual parece ser el primer amplificador reportado con un NEF<1. Finalmente, se estudia un conversor DC-DC inductivo de microconsumo como otra alternativa para reducir el consumo de corriente de la batería en circuitos analógicos. Se diseñó, fabricó y caracterizó un conversor DC-DC inductivo del tipo step-down, que reduce el voltaje de 3.6V a 0.6V para un consumo de 36μW. Este conversor podría alimentar un solo par diferencial complementario (un NMOS y un PMOS apilados) con seis veces más corriente, en sustitución de los seis pares diferenciales complementarios apilados previamente. / This work focuses on electronic amplifiers with very low noise and micro/nano power consumption. We selected an amplifier for the detection of nerve signals (ENG) in implantable medical devices as a case study. While the bandwidth of medical signals is relatively low, as the signals are generally of extremely low amplitude, the main challenge for the circuit designer is to achieve low noise combined with low power consumption. Indeed, there is a well-known relationship between noise at the amplifier’s input and electrical current consumption of the amplifier. In this work, we evaluated how to power a low noise amplifier using the maximum amount of available energy from an implantable device’s battery. Throughout this thesis, we present novel circuit techniques to better utilize the available energy. Firstly, we analyzed the use of active mirrors instead of traditional two transistor current mirrors. We studied the advantages and disadvantages of active mirrors analytically and with simulations. We designed, fabricated and tested an active mirror that works as a 10μA current source with less than 100mV voltage drop in a 0.6μm technology. Secondly, we introduced the idea of reusing current by stacking differential pairs, to better utilize the voltage range of the battery. This topology is shown to be extremely efficient in the trade-off between current consumption and generated noise. We designed, fabricated and tested an amplifier for ENG signals that stacks twelve differential pairs and works with a 3.6V (nominal) battery, consumes 16.5μA and has a gain of ≈80dB in the passing band. The amplifier has a bandwidth of 4kHz, and a measured noise of 4.5nV/Hz1/2@1kHz and 330nVrms in the band of interest. The amplifier has a measured NEF of 0.84 even considering the consumption of all the auxiliary circuits, which makes it, to the best of our knowledge, the first amplifier reported with an NEF<1. Finally, we studied inductive DC-DC converters with micro-consumption as an alternative way to reduce consumption without introducing extra noise. We designed, fabricated and tested a step-down inductive DC-DC converter, that reduces voltage from 3.6V to 0.6V for a 36μW load. This converter could power one complementary differential pair (only one stacked PMOS and NMOS differential pair) with six times the electrical current, and could be used instead of the six complementary differential pairs used previously.

Los dispositivos CCDs (por las siglas en inglés de Charge Coupled Devices) son aún hoy en día la tecnología líder para la toma de imágenes de baja distorsión y son ampliamente utilizados en aplicaciones de astronomía en el rango de la luz visible y en el infrarrojo cercano. En esta tesis se estudia y desarrolla su utilización para la detección de otras partículas diferentes a los fotones de luz, en particular para partículas con muy poca probabilidad de detección y muy poca deposición de energía logrando que esta nueva tecnología presente una ventaja respecto a detectores disponibles hoy en día. Los resultados de esta tesis son la base del desarrollo de una aplicación de un sistema de CCDs para la detección de neutrinos provenientes de un reactor nuclear. Se estudian las características principales de los CCDs que los hacen aptos para esta novedosa aplicación, y se encuentra que la mayor limitante de su rendimiento es el ruido de lectura agregado por su etapa de salida. Se desarrolla una técnica para reducir su incidencia, y mejorar así la capacidad de detección. A partir de estas características se analiza la capacidad de los CCD para detectar neutrinos provenientes de un reactor nuclear por medio de la interacción coherente entre el neutrino y los núcleos de los átomos de silicio. Para optimizar la detección de eventos de este tipo en las imágenes de salida, se deriva un modelo matemático que estudia el mecanismo de generación de carga en el CCD y se desarrolla una técnica de calibración que permite obtener información de la profundidad a la que se produce la ionización Estos resultados se plasmaron en el desarrollo de un prototipo instalado en la Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto, en Angra dos Reis, Brasil. Se muestran algunos resultados preliminares obtenidos con este prototipo, y se comentan las mejoras que se realizarán próximamente en este sistema. / Charge Coupled Devices are still nowadays the best available technology for low distortion digital imaging applications and are extensively used for ground and spacebased astronomy for visible light and near infrared. In this thesis, studies to extent its use to applications for the detection of particles different to light photons are presented, in particular for those particles having low probability of interaction and small deposition of energy for which this technology presents advantages over available detectors. These studies are the base for the development of a CCD system aiming the detection of low energy neutrinos coming out from a nuclear reactor. The most important aspects of scientific CCDs for particle detection are revisited, and its main detection limitation produced by the readout noise added by the output amplifier of the device is explained. A technique to reduce the effect of this noise and to improve the detection performance is developed. The main features of CCDs are then used to analyze the feasibility of detecting low energy neutrinos through their coherent scattering with nuclei. A mathematical model of the expected signal in the output images is obtained and a new technique for the calibration of the CCDs to obtained the depth of the interaction in the silicon is developed. This result is used to improve the detection performance of the system The first CCD system prototype for this application is presented together with some details of its installation at Central Nuclear Almirante Alvaro Alberto in Angra dos Reis, Brazil, and some preliminary results are discuSSED.

Algunas aplicaciones tales como la radio astronomía y las comunicaciones con el espacio profundo requieren receptores muy sensibles. Esta tesis trata sobre la tecnología criogénica aplicada a la ingeniería de microondas y se centra en el diseño de amplificadores de muy bajo ruido tanto en tecnología híbrida (MIC) como monolítica (MMIC). El trabajo cubre un ancho campo de conocimiento desde la fabricación mecánica y la configuración de los sistemas hasta el diseño y medida de las aplicaciones finales. Comenzando con pautas y consejos para diseñar sistemas criogénicos (criostatos) este documento profundiza en la medida de parámetros-S y ruido. El diseño de circuitos criogénicos se inicia con el estudio de los efectos de las bajas temperaturas sobre los transistores y componentes de microondas centrándose en los dispositivos de fosfuro de indio (InP). El conocimiento adquirido en este estudio se aplica al diseño de amplificadores de muy bajo ruido en banda Ka. / Some applications such as radio astronomy and deep space communications require very sensitive receivers. This dissertation deals with the cryogenic technology applied to the microwave engineering and focuses on the design of very low noise amplifiers both in hybrid (MIC) and monolithic (MMIC) technologies. The work covers a wide field of knowledge from hardware manufacture and system set up to final applications design and measurement. Starting from guidelines and advices to design cryogenic systems (cryostats) this document goes into S-parameters and noise measurements in deep. The design of cryogenic circuits is initialized with the study of the effect of low temperatures on microwave transistors and components focusing in indium-phosphide (InP) devices. The knowledge gained with this study is applied to the design of very low noise amplifiers in Ka-band.

En esta Tesis se ha realizado análisis, diseño y caracterización de los amplificadores de bajoruido y banda ancha en tecnología de GaAs PHEMT con aplicación a los módulos posteriores delradiómetro del instrumento de baja frecuencia del satélite Planck. La Tesis se compone de las siguientes partes:- Introducción y estudio del funcionamiento del radiómetro del instrumento de baja frecuencia de Planck.- Diseño y caracterización de amplificadores de bajo ruido utilizando tecnología de GaAs. Se presentan diseños MMIC en la banda Ka y en la banda Q, y un diseño MIC en la banda Q.- Diseño y construcción de los módulos posteriores en las bandas de 30 y 44 GHz. Se presentan varios prototipos fabricados en ambas bandas, así como medidas de cada uno de los subsistemas que los forman.- Desarrollo de técnicas de medida para receptores de banda ancha con detección directa y su aplicación a la caracterización de los módulos posteriores, mostrando el funcionamiento de los prototipos representativos para las dos bandas de frecuencia.- Integración de los módulos posteriores con los módulos frontales y presentación de algunos de los resultados de medida de los radiómetros completos. / This Thesis deals with the analysis, design and characterization of broadband low noise amplifiersin GaAs PHEMT technology with application to the radiometer Back-End Modules for the Planck Low Frequency Instrument (LFI). The Thesis is composed of the next parts:- Introduction and study about the radiometer of the Planck low frequency instrument.- Design and characterization of low noise amplifiers using GaAs technology. Ka-band MMIC designs and Q-band MMIC and a MIC design are presented.- Design and assembly of the 30 and 44 GHz back-end modules. Several prototypes have been manufactured in both frequency bands and the most representative test results of each subsystem are presented.- Development of measurement techniques for broadband direct detection receivers and their application to the characterization of the back-end modules. Performance of representative prototypes in both frequency bands is included.- Integration of the back end modules and front end modules and significant results of the tests for a radiometer in each frequency band.