En este trabajo se estudiará el desarrollo de circuitos integrados en la mayoría de los casos
específicos para una aplicación médica implantable, tecnología CMOS de 0.6μm estándar y HV
sobre waffer de SOI. El trabajo contiene algunas contribuciones originales obtenidas del
trabajo con circuitos para estimuladores cardíacos y sensores.
En primer lugar, se presentará la técnica de degeneración de bulk para el incremento del rango
lineal de OTAs, sobre la que existe muy poco trabajo previo. Mediante esta técnica se
demostrará que se puede alcanzar menores voltajes de alimentación y menor distorsión en
comparación con otros trabajos previos publicados. Se implementó y midió un OTA que
combina técnicas de degeneración tanto de bulk como de source alcanzando un rango lineal
por encima de 1V con una fuente de alimentación que varía desde los 1.8V hasta los 5.5V. Este
es el primer estudio sobre degeneración de bulk que incluye medidas, y su aplicación en
sistemas de bajo consumo y/o aplicaciones médicas. Como aplicación se implementó un
circuito de adaptación para la señal proveniente de un acelerómetro piezoeléctrico para un
sistema de tipo marcapaso adaptativo, utilizando filtros Gm-C.
Seguidamente, se presentará el desarrollo de adaptadores de nivel ciegos con un amplio rango
de voltajes de entrada (desde 1.8V a 5.5V) y salida (desde 0 a 18V e incluso voltajes negativos),
orientados a dispositivos médicos implantables. Se establece una arquitectura modificada y
metodología de diseño que garantice la operación robusta de los adaptadores de nivel, para
todo punto de operación y variaciones del proceso de fabricación. Como ejemplo de aplicación
de los adaptadores de nivel, se presenta un multiplicador de voltaje programable del tipo
bomba de carga multicanal, capaz de alcanzar hasta 16V. Se verificó la correspondencia de las
simulaciones con las mediciones en un amplio rango de la tensión de entradas (1.6V hasta
5.5V). Se realizaron medidas de la eficiencia emulando una configuración tipo marcapasos
para 4 estímulos por segundo en un solo canal, mostrando una eficiencia de carga del 95%, y
cerca de un 90% de eficiencia en potencia.
Finalmente se presentarán algunos bloques del circuito que implementan el concepto de
seguridad al estar en contacto directo con tejido biológico, a la hora de estimular. Se describe
sistemas de control para estimulación segura de tejido tanto en tensión como en corriente, e
incluso un adaptador de nivel modificado (seguro). / In this work, the study and development of integrated circuits for the specific case of
implantable medical applications, in a 0.6mm HV CMOS technology on SOI wafer, is presented.
The work contains innovative results obtained from working with circuits for cardiac and other
stimulators, and sensors.
First, the technique of bulk degeneration will be presented for the increase of the linear range
of OTAs, on which there is shortness of previous work. By means of this technique, it will be
shown that lower supply voltages and less distortion can be achieved in comparison with
previous published OTAs. An OTA that combines both bulk and source degeneration
techniques was implemented and measured, reaching a linear range above 1V with a power
supply that varies from 1.8V to 5.5V. This is the first study on bulk linearization which includes
measurements, or its application in low consumption and/or medical circuits. As an
application example, an amplifier and signal processing circuit was developed for a
piezoelectric accelerometer aimed at physical activity estimation in a rate adaptive
pacemaker, using Gm-C filters.
Secondly, the development of blind level shifters with a wide range of input voltages (from
1.8V to 5.5V) and output (from 0 to 18V and even negative voltages), aimed at implantable
medical devices, will be presented. A modified architecture is proposed and a design
methodology that guarantees the robust operation of the level shifters, for any point of
operation and variations on the fabrication process. As an application example, a
programmable multichannel voltage multiplier charge pump types presented, capable of
reaching up to 16V. Correspondence of the simulations with the measurements over a wide
range of input voltage (1.6V up to 5.5V) was checked. Efficiency measurements were
performed by emulating a pacemaker-like configuration for 4 stimuli per second in a single
channel, showing 95% load efficiency, and about 90% power efficiency.
Finally, some circuit blocks that implement the concept of safety by being in direct contact
with biological tissue, when it comes to stimulating are present. Control systems are
described for safe stimulation of tissue in both voltage and current, and even a modified (safe)
level shifter.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uns.edu.ar/oai:repositorio.bc.uns.edu.ar:123456789/3876 |
| Date | 11 August 2017 |
| Creators | Gak Szollosy, Joel |
| Contributors | Mandolesi, Pablo Sergio, Arnaud, Alfredo |
| Publisher | Universidad Nacional del Sur |
| Source Sets | Universidad Nacional del Sur |
| Language | Spanish |
| Detected Language | Spanish |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
| Rights | 2 |
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