شماره ركورد
24473
شماره راهنما
ELE3 77
عنوان
طراحي مبدل و مدولاتور آنالوگ به ديجيتال براي آشكار سازي سيگنال جريان سلول¬هاي نانوحفره با هدف بهبود و ارتقا فاكتورهاي نويز و توان مصرفي
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي برق - الكترونيك
دانشكده
فني و مهندسي
تاريخ دفاع
1403/10/12
صفحه شمار
92 ص.
استاد راهنما
مهدي حبيبي
استاد مشاور
حميدرضا كريمي علويجه
كليدواژه فارسي
حسگر نانوحفره , مدار بازخواني , مدولاتور سيگما دلتا , جبران سازي دمايي , كم توان , كم نويز
چكيده فارسي
آرايههاي بزرگ حسگري كه ارزيابي و سنجش را به صورت موازي روي يك تراشه انجام ميدهند، كاربردهاي گستردهاي دارند. به عنوان مثال از آرايه سلولهاي الكتروشيميايي مجهز به نانوحفره در توالي يابيDNA استفاده ميشود. در اين نوع كاربرد با توجه به تعداد زياد كانالها، سطوح جريان كم و پهناي باند در حدود چند كيلوهرتز، به مبدلهاي آنالوگ به ديجيتال دو سطحي، كم نويز و كم توان در هر كانال جهت بازخواني سلولهاي نانوحفره نياز است. پيش از اين، از مدولاتورهاي سيگما دلتا زمان پيوسته كم نويز و با دقت بالا براي تبديل سيگنال جريان نانوحفره به يك كد ديجيتال استفاده شده است. از ديگر چالش¬ مدارهاي بازخواني، كاهش توان مصرفي است كه در آرايه¬اي از حسگرها از اهميت ويژهاي برخوردار است. در حال حاضر همه مبدلهاي سيگما دلتاي پيشنهادي كه براي خواندن سطوح جريان ورودي با وضوح پيكو آمپر استفاده ميشوند، با توجه به مرتبه بالاي مدولاتور به آپامپ نياز دارند. علاوه بر آن، در اين مدولاتورها به منظور كاهش نويز ارجاع داده شده به گره ورودي، از يك تقسيم كننده خازني استفاده ميشود كه براي پيادهسازي آن به آپامپ نياز است. اين امر منجر به افزايش چشمگير توان مصرفي كل آرايه ميگردد و در نتيجه، دماي كل ساختار افزايش يافته و عملكرد مدولاتور مختل ميشود.
در اين رساله دو مدولاتور سيگما دلتاي زمان پيوسته مرتبه دو مد جريان پيشنهاد شده كه همانند ساير مدولاتورهاي سيگما دلتايي كه براي خواندن جريان حسگر نانوحفره به كار رفتهاند، به منظور كاهش نويز ارجاع داده شده به ورودي حسگر از تقسيم كننده خازني استفاده ميكنند. در طرح نخست يك مدولاتور سيگما دلتا مستقل از دما ارائه شده كه بدون استفاده از هيچ مقاومتي پيادهسازي شده است. در اين راستا براي پياده¬سازي منابع جريان سوئيچ شونده و مبدل ولتاژ به جريان به ترتيب از ماسفت¬هاي در ناحيه اشباع و در ناحيه تريود استفاده شده است. منابع جريان سوئيچ شونده با كنترل ولتاژ سورس ماسفتهاي در ناحيه اشباع توسط ساختار آينه جريان ايجاد شدهاند. در اين رساله كليدزني منابع جريان سوئيچ شونده پيشنهادي به گونهاي انجام شده است كه با حفظ جريان در محدوده نانو آمپر، زمانهاي صعود و نزول مطلوب و مقدار ENOB مدولاتور تغيير نميكند. در واقع با استفاده از دو كليد با عملكرد دوگانه اثر بارگذاري هنگام قطع و وصل كليد حذف شده است. در بخش مبدل ولتاژ به جريان پيشنهادي نيز با كنترل ولتاژ گيت ماسفت تريود مقاومت خطي و ثابت با تغيير دما ايجاد شده است. در اين حالت تغييرات بهره مدولاتور با تغيير دما از °C 27تا °C 100 به 0.3 درصد رسيده است. در اين مدولاتور مقدار ENOB و توان مصرفي با جريان ورودي 600pA و فركانس 10kHz به ترتيب برابر 12.9bit و 4.6mW است. در طرح پيشنهادي دوم يك مبدل سيگما دلتا مرتبه دوم مبتني بر فيلتر Gm-C پيشنهاد گرديده است كه به جاي چندين آپامپ از يك بلوكGm با 4 ترانزيستور استفاده شده است. در مدولاتور پيشنهادي در حالي كه نويز ارجاع داده شده به ورودي نزديك به روشهاي قبلي باقي مانده، اتلاف توان به طور قابل توجهي كاهش يافته است. در اين ساختار نيز نوع كليدهاي كنترلي و ابعاد آنها طوري طراحي شدهاند كه با حفظ توان مصرفي در محدوده nW، منابع جريان سوئيچ شونده با مقادير مطلوب و زمانهاي صعود و نزول اندك توليد شدهاند. يك نمونه عملي نيز براي نشان دادن اثربخشي روش پيشنهادي پيادهسازي شده است. در مدولاتور پيشنهادي با تكنولوژي 180nm، به ترتيب ENOB، RMS نويز ارجاع شده به ورودي در پهناي باند 10kHz و توان مصرفي برابر 12.16bit،0.2pA و 8.27μW است.
كليدواژه لاتين
Nanopore sensor , readout circuit , sigma delta modulator , temperature compensation , low power read out , low noise
عنوان لاتين
Design of an analog to digital converter/ modulator for nanopore cell current detectors
گروه آموزشي
مهندسي برق
چكيده لاتين
Large sensor arrays that perform evaluation and measurement in parallel on a chip have wide applications. Also, the array of electrochemical cells equipped with nanopore is used in DNA sequencing. In this type of application, due to the large number of channels, low current levels and bandwidth of several kilohertz, two-level, low-noise and low-power analog-to-digital converters are needed in each channel to read the nanopore cells. Previously, low-noise and high-precision continuous-time sigma-delta modulators have been used to convert the nanopore current signal into a digital code. Another challenge of readout circuits is the reduction of power consumption, which is of particular importance in an array of sensors. Currently all proposed sigma-delta converters used to read input current levels with picoamp resolution require an op-amp due to the high order of the modulator. In addition, in these modulators, in order to reduce the noise referred to the input node, a capacitor divider is used, which requires an op-amp to implement. Leads to a significant increase in the power consumption of the entire array, as a result of which the temperature of the entire structure increases and the performance of the entire modulator are disturbed.
In this treatise, two continuous-time sigma-delta modulators of the order of two current modes are proposed, which, like other sigma-delta modulators that are used to read the current of the nanopore sensor, use a capacitive divider in order to reduce the noise referred to the sensor input. In the first design, a temperature-independent sigma-delta modulator is presented, which is implemented without using any resistance. In this regard, MOSFETs in the saturated region and in the triode region have been used to implement switching current sources and voltage-to-current converters. Switching current sources are created by controlling the source voltage of the MOSFETs in the saturation region by the current mirror structure. In this treatise, the switching of the proposed switching current sources has been done in such a way that by keeping the current in the range of nanoamps, the optimal rise and fall times and the ENOB value of the modulator do not change. In fact, by using two keys with dual functions, the effect of loading when disconnecting and connecting the key has been removed. In the proposed voltage-to-current converter section, linear and constant resistance is created with the temperature change by controlling the MOSFET gate voltage of the triode. In this case, the change of modulator gain with temperature change from 27 °C to 100 °C has reached 0.3%. In this modulator, the value of ENOB and power consumption with an input current of 600pA and a frequency of 10kHz are equal to 12.9bit and 4.6mW, respectively. In the second proposal, a second-order sigma-delta converter based on Gm-C filter is proposed, which uses a Gm block with 4 transistors instead of several op-amps. In the proposed modulator, the power dissipation is significantly reduced while the noise referred to the input remains close to the previous methods. In this structure, the type of control keys and their dimensions have been designed in such a way that by maintaining the power consumption in the nW range, switching current sources with optimal values and small rise and fall times have been produced. A practical example is also implemented to demonstrate the effectiveness of the proposed method. In the proposed modulator with 180nm technology, according to ENOB, the RMS noise referred to the input is 10kHz bandwidth and the power consumption is 12.16bit, 0.2pA and 8.27μW.
تعداد فصل ها
5
استاد مشاور خارج از دانشگاه
سباستين ماگيروسكي
فهرست مطالب pdf
122166
نويسنده