Circuito de leitura de ISFET melhorado aplicável à leitura de PH: caracterização e comparação
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Marques, Greicy Costa
Santos Junior, Carlos Raimundo Pereira dos
Santos Junior, Carlos Raimundo Pereira dos
Pós-Graduação
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Universidade Federal do Amazonas
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Resumo
Este trabalho apresenta o projeto a nível de simulações BSIM3V3 de uma
topologia de circuito de condicionamento tanto na versão integrada (tecnologia metal-4
polisilício-2 - CMOS 0,35µm) quanto discreta para leitura de sensores ISFET (Transistor
de Efeito de Campo Sensível a Íons).
A topologia de condicionamento desenvolvida tem algumas vantagens em relação
a topologias tradicionais que na maioria são CVCC (Tensão Constante e Corrente
Constante) em três aspectos: sensibilidade maior que a convencional (201,736mV/pH x
59mV/pH), linearidade bem próxima de 1.
Além de ler pH na faixa de 3 a 12 inteira com sensibilidade de 201,736mV/pH,
tal circuito também oferece uma forma de ajuste que permite que suas leituras sejam feitas
por faixas, onde deve-se fazer ajustes no dimensional dos transistores N e P na etapa de
fabricação (versão integrada) e aplicar diferentes valores de tensão ao seu Eletrodo de
Referência para que seja possível a leitura do pH com sensibilidade ainda maior que a
convencional com a mesma topologia, porém dimensionada de forma diferente,
possibilitando-se atingir a sensibilidade de 480mV/pH. Podemos então ler três faixas
intercaladas de pH, por exemplo: faixa 1 - pH 3 a 7; faixa 2 - pH 6 a 10; faixa 3 - 8 a 12.Na versão discreta o mesmo pode ser feito através dos resistores de polarização (RP e
RN) do circuito tanto para leitura da faixa de pH 3 a 12 quanto para leitura por faixas (as
mesmas faixas 1, 2 e 3). Para tanto pode-se utilizar três circuitos aplicados à uma matriz
de ISFETs, cada um com uma tensão de Eletrodo de Referência diferente ou apenas um
circuito aplicado a um ISFET com essa mesma tensão microcontrolada.
Foram feitas análises de ruído de saída, relação Sinal-Ruído e simulações de
Monte Carlo com o objetivo de demonstrar a robustez do circuito a ruídos e variações
intrínsecas aos componentes da topologia.
Resultados mostram que o circuito tanto em sua versão integrada quanto discreta
apresentam resultados bastante satisfatórios às aplicações desejadas com baixa taxa de
ruído e robustez a variações nas duas versões apresentadas (integrada e discreta) foi
comprovado também que seu funcionamento é similar em ambas as versões do cirucito,
validando-se a topologia em si.
Abstract
This work presents the project at the level of BSIM3V3 simulations of a
conditioning circuit topology both in the integrated version (polysilicon metal-4
technology - 0.35µm CMOS) and discrete for reading ISFET sensors (Ion Sensitive Field
Effect Transistor).
The conditioning topology developed has some advantages over traditional
topologies that are mostly CVCC (Constant Voltage and Constant Current) in three
aspects: higher than conventional sensitivity (201.736mV / pH x 59mV / pH), linearity
very close to 1.
In addition to reading pH in the entire 3 to 12 range with a sensitivity of
201.736mV / pH, this circuit also offers an adjustment form that allows its readings to be
made by ranges, where adjustments must be made to the dimensions of transistors N and
P in the manufacturing stage (integrated version) and apply different voltage values to
your Reference Electrode so that it is possible to read the pH with an even higher
sensitivity than the conventional one with the same topology, but sized differently,
making it possible to reach the sensitivity of 480mV / pH. We can then read three
interspersed pH ranges, for example: range 1 - pH 3 to 7; range 2 - pH 6 to 10; ranges 3 -8 to 12. In the discrete version, the same can be done through the polarization resistors
(RP and RN) of the circuit, both for reading the pH range 3 to 12 and for reading by
ranges (the same ranges 1, 2 and 3). For that, one can use three circuits applied to an
ISFET matrix, each with a different Reference Electrode voltage or just one circuit
applied to an ISFET with that same micro controlled voltage.
Output noise analysis, Signal-to-Noise ratio and Monte Carlo simulations were
carried out in order to demonstrate the robustness of the circuit to noise and variations
intrinsic to the components of the topology.
Results show that the circuit, both in its integrated and discrete version, presents
very satisfactory results to the desired applications with low noise rate and robustness to
variations in the two versions presented (integrated and discrete). It was also proven that
its operation is similar in both versions of the circuit, validating the topology itself.
Descrição
Termo controlado
Topologia de circuito de condicionamento; Transistor de Efeito de Campo Sensível a Íons; Tensão Constante e Corrente Constante; Resistor de polarização; BSIM3V3
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS)
Citação
CASTRO, Luís Smith Oliveira de. Circuito de leitura de ISFET melhorado aplicável à leitura de PH: caracterização e comparação. 2019. 89 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal do Amazonas, Manaus, 2019.
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