Uma arquitetura de modulação sigma-delta assíncrona em ultra-baixa potência para aplicações biomédicas.

Abstract

Esse trabalho apresenta o projeto e a fabricação de um circuito integrado modulador Σ-Δ assíncrono especialmente projetado para aplicações biomédicas. Desenvolvido em processo Digital IBM 130-nm, utiliza técnicas de polarização em inversão fraca e leiaute distribuído de transistores halo-implantados, opera com alimentação de 0,25-V e consome 15-nW de potência. O projeto foi guiado pela teoria clássica que modela o modulador Σ-Δ assíncrono segundo uma malha realimentada constituída de um elemento linear e de um elemento não-linear. Um circuito amplificador operacional de transcondutância é utilizado em conjunto com um arranjo capacitivo para construir um integrador 𝐺𝑚-C, elemento linear. O elemento não-linear é realizado por um circuito oscilador de relaxação que opera comutando um arranjo capacitivo através de uma cadeia de inversores CMOS e não envolve polarização adicional, reduzindo o consumo energético. Foram desenvolvidos dois modelos que descrevem a sua operação e fornecem as condições necessárias para que o circuito opere como um modulador Σ-Δ assíncrono além de análises de descasamento que mostram que o circuito é passível de calibração, quando necessário. A caracterização do protótipo comprova as características de frequência e histerese de tensão descritas na modelagem e mostra que alimentado com 0,25-V, consome 15-nW, alcançando 9 bits de resolução em uma banda de 30-Hz, que se traduzem em aproximadamente 300-𝜇V de resolução de tensão para o sinal de 150-m𝑉𝑃𝑃 aplicado. Esses resultados são condizentes com aplicações biomédicas portáteis ou mesmo implantáveis, uma vez que requerem baixo consumo energético e resolução moderada trabalhando em bandas reduzidas de frequência.