The advancements in integrated circuits (ICs) fabrications allowed the proliferation of Internet-of-Everything, IoE, devices such as implantable medical devices (IMDs) for wireless body-area networks (WBANs) and smart-tags for wearable/disposable consumer electronics for wireless sensor nodes (WSNs). The main challenges for these classes of devices are represented by cost reduction and the area/volume occupation, leading then to low invasiveness electronic devices as well as higher pervasiveness within the every-day life of smart, connected and secure devices. These target are achieved by replacing the battery as main energy sources with energy harvesting solutions (e.g., RF, ultrasound, PV cells). Under the IC design point-of-view, the adoption of energy harvesting source opens the road to always more challenging power management units (PMUs) design for high efficiency energy/power provisioning to the other circuits. Furthermore, the implementation of battery-less WSNs for improving human lives requires the adoption of low-power and low-voltage operational transconductance amplifiers (OTAs) whose specifications spans from high performance (i.e., high-gain and high-bandwidth) to ultra-low power down to nW-level with relaxed features depending on the specific application. Finally, the possibility of a continuous communication between portable devices (e.g., smartphones, smart-watches and tablets) with wearable or implantable devices strongly demand the power reduction of the communication sub-system (TX/RX) below the micro-Watt level since fully-sustained by the adopted energy harvester. The aim of this thesis is to show a most of the improvements recently achieved in the IC design for battery-less IMDs (from Chapter 1 to Chapter 3) and IoE devices (from Chapter 4 to Chapter 5). The work is structured as follows. After a brief Introduction presenting energy harvesting solutions for WBANs and WSNs, Chapter 1 shows the experimental validations of an high-efficiency active rectifier for implantable devices supplied by ultrasound energy source. The circuit demonstration is hence presented and the circuit is implemented in a 28-nm CMOS bulk technology provided by TSMC. Chapter 2 presents a review and a Verilog-A modeling of regulated active rectifiers as an hot-topic for IMDs for lower-area and higher efficiency energy/power management solutions. In Chapter 3 the design and silicon validation (180 nm TSMC technology) of a 4-stage, 0.6-V OTA for high-performance sensing and regulation circuits is presented. Chapter 4 introduces a novel topology of Digital-OTA (DigOTA) for scalability on both process technology and power consumption. The proposed circuit shows a power consumption of around 90 nW and 166.6 kHz bandwidth while operating at 0.3-V power-supply voltage. Its analytical model is also presented and validate through simulation and experimental measurement results in a 28-nm technology. Chapter 5 shows the design and silicon validation of the first sub-uW 802.11b WiFi backscattering TX, relying only on 2.4 GHz energy source (battery-less). A proof-of-concept of the motion/position detection based on the received signal strength (RSS) of the proposed system is also presented. The system is implemented in a 180-nm process technology and validated under process, voltage and temperature (PVT) variations. The 802.11b WiFi standard compliance is also demonstrated. Finally, in Chapter 6 Conclusions are drawn.

I progressi nella fabbricazione dei circuiti integrati (IC) hanno permesso la proliferazione di dispositivi Internet-of-Everything, IoE, come dispositivi medici impiantabili (IMD) per reti wireless su scala corporea (WBAN) e smart-tag per elettronica di consumo indossabile/usa e getta per nodi sensori wireless (WSN). Le principali sfide per queste classi di dispositivi riguardano la riduzione dei costi e dell'occupazione di area/volume, portando così alla realizzazione di dispositivi elettronici a bassa invasività e a una maggiore pervasività nella vita quotidiana di dispositivi intelligenti, connessi e sicuri. Questi obiettivi sono raggiunti sostituendo la batteria come principale fonte di energia con soluzioni di energy harvesting (ad es., RF, ultrasuoni, celle fotovoltaiche). Dal punto di vista della progettazione IC, l'adozione di fonti di energy harvesting apre la strada alla progettazione di unità di gestione dell'energia (PMU) sempre più sfidanti per un'efficiente fornitura di energia/potenza agli altri circuiti. Inoltre, l'implementazione di WSN senza batteria per migliorare la vita umana richiede l'adozione di amplificatori operazionali a transconduttanza (OTA) a bassa potenza e basso tensione di alimentazione, le cui specifiche spaziano da alte prestazioni (ad es., alto guadagno e alta larghezza di banda) a consumi ultra-bassi fino al livello di nW, con caratteristiche rilassate a seconda delle applicazioni specifiche. Infine, la possibilità di una comunicazione continua tra dispositivi portatili (ad es., smartphone, smartwatch e tablet) e dispositivi indossabili o impiantabili richiede fortemente una riduzione della potenza del sottosistema di comunicazione (TX/RX) al di sotto del livello di micro-Watt, essendo interamente sostenuta dall'energia recuperata. Lo scopo di questa tesi è mostrare molti dei miglioramenti recentemente ottenuti nella progettazione IC per IMD senza batteria (dal Capitolo 1 al Capitolo 3) e dispositivi IoE (dal Capitolo 4 al Capitolo 5). Il lavoro è strutturato come segue. Dopo una breve introduzione che presenta le soluzioni di energy harvesting per WBAN e WSN, il Capitolo 1 mostra le validazioni sperimentali di un raddrizzatore attivo ad alta efficienza per dispositivi impiantabili alimentati da una fonte di energia a ultrasuoni. La dimostrazione del circuito è presentata e il circuito è implementato in una tecnologia CMOS bulk a 28 nm fornita da TSMC. Il Capitolo 2 presenta una revisione e una modellazione in Verilog-A di raddrizzatori attivi regolati, come argomento di grande attualità per IMD, per soluzioni di gestione dell'energia/potenza a minore area e maggiore efficienza. Nel Capitolo 3 viene presentata la progettazione e validazione su silicio (tecnologia TSMC a 180 nm) di un OTA a 4 stadi e 0.6 V per circuiti di regolazione e sensori ad alte prestazioni. Il Capitolo 4 introduce una nuova topologia di Digital-OTA (DigOTA) per la scalabilità sia nella tecnologia di processo sia nel consumo di energia. Il circuito proposto mostra un consumo energetico di circa 90 nW e una larghezza di banda di 166.6 kHz, operando con una tensione di alimentazione di 0.3 V. Il modello analitico è presentato e validato attraverso simulazioni e misurazioni sperimentali in una tecnologia a 28 nm. Il Capitolo 5 mostra la progettazione e la validazione su silicio del primo trasmettitore WiFi 802.11b a backscattering con consumo inferiore al micro-Watt, alimentato unicamente da una fonte di energia a 2.4 GHz (senza batteria). È presentata anche una prova di concetto per il rilevamento del movimento/posizione basato sulla potenza del segnale ricevuto (RSS) del sistema proposto. Il sistema è implementato con una tecnologia di processo a 180 nm e validato sotto variazioni di processo, tensione e temperatura (PVT). È inoltre dimostrata la conformità allo standard WiFi 802.11b. Infine, nel Capitolo 6 vengono tratte le conclusioni.

Circuiti Elettronici Integrati per Applicazioni Battery-less IoT e Dispositivi Biomedici Impiantabili / Privitera, Marco. - (2024 Dec 09).

Circuiti Elettronici Integrati per Applicazioni Battery-less IoT e Dispositivi Biomedici Impiantabili

PRIVITERA, MARCO
2024-12-09

Abstract

The advancements in integrated circuits (ICs) fabrications allowed the proliferation of Internet-of-Everything, IoE, devices such as implantable medical devices (IMDs) for wireless body-area networks (WBANs) and smart-tags for wearable/disposable consumer electronics for wireless sensor nodes (WSNs). The main challenges for these classes of devices are represented by cost reduction and the area/volume occupation, leading then to low invasiveness electronic devices as well as higher pervasiveness within the every-day life of smart, connected and secure devices. These target are achieved by replacing the battery as main energy sources with energy harvesting solutions (e.g., RF, ultrasound, PV cells). Under the IC design point-of-view, the adoption of energy harvesting source opens the road to always more challenging power management units (PMUs) design for high efficiency energy/power provisioning to the other circuits. Furthermore, the implementation of battery-less WSNs for improving human lives requires the adoption of low-power and low-voltage operational transconductance amplifiers (OTAs) whose specifications spans from high performance (i.e., high-gain and high-bandwidth) to ultra-low power down to nW-level with relaxed features depending on the specific application. Finally, the possibility of a continuous communication between portable devices (e.g., smartphones, smart-watches and tablets) with wearable or implantable devices strongly demand the power reduction of the communication sub-system (TX/RX) below the micro-Watt level since fully-sustained by the adopted energy harvester. The aim of this thesis is to show a most of the improvements recently achieved in the IC design for battery-less IMDs (from Chapter 1 to Chapter 3) and IoE devices (from Chapter 4 to Chapter 5). The work is structured as follows. After a brief Introduction presenting energy harvesting solutions for WBANs and WSNs, Chapter 1 shows the experimental validations of an high-efficiency active rectifier for implantable devices supplied by ultrasound energy source. The circuit demonstration is hence presented and the circuit is implemented in a 28-nm CMOS bulk technology provided by TSMC. Chapter 2 presents a review and a Verilog-A modeling of regulated active rectifiers as an hot-topic for IMDs for lower-area and higher efficiency energy/power management solutions. In Chapter 3 the design and silicon validation (180 nm TSMC technology) of a 4-stage, 0.6-V OTA for high-performance sensing and regulation circuits is presented. Chapter 4 introduces a novel topology of Digital-OTA (DigOTA) for scalability on both process technology and power consumption. The proposed circuit shows a power consumption of around 90 nW and 166.6 kHz bandwidth while operating at 0.3-V power-supply voltage. Its analytical model is also presented and validate through simulation and experimental measurement results in a 28-nm technology. Chapter 5 shows the design and silicon validation of the first sub-uW 802.11b WiFi backscattering TX, relying only on 2.4 GHz energy source (battery-less). A proof-of-concept of the motion/position detection based on the received signal strength (RSS) of the proposed system is also presented. The system is implemented in a 180-nm process technology and validated under process, voltage and temperature (PVT) variations. The 802.11b WiFi standard compliance is also demonstrated. Finally, in Chapter 6 Conclusions are drawn.
9-dic-2024
I progressi nella fabbricazione dei circuiti integrati (IC) hanno permesso la proliferazione di dispositivi Internet-of-Everything, IoE, come dispositivi medici impiantabili (IMD) per reti wireless su scala corporea (WBAN) e smart-tag per elettronica di consumo indossabile/usa e getta per nodi sensori wireless (WSN). Le principali sfide per queste classi di dispositivi riguardano la riduzione dei costi e dell'occupazione di area/volume, portando così alla realizzazione di dispositivi elettronici a bassa invasività e a una maggiore pervasività nella vita quotidiana di dispositivi intelligenti, connessi e sicuri. Questi obiettivi sono raggiunti sostituendo la batteria come principale fonte di energia con soluzioni di energy harvesting (ad es., RF, ultrasuoni, celle fotovoltaiche). Dal punto di vista della progettazione IC, l'adozione di fonti di energy harvesting apre la strada alla progettazione di unità di gestione dell'energia (PMU) sempre più sfidanti per un'efficiente fornitura di energia/potenza agli altri circuiti. Inoltre, l'implementazione di WSN senza batteria per migliorare la vita umana richiede l'adozione di amplificatori operazionali a transconduttanza (OTA) a bassa potenza e basso tensione di alimentazione, le cui specifiche spaziano da alte prestazioni (ad es., alto guadagno e alta larghezza di banda) a consumi ultra-bassi fino al livello di nW, con caratteristiche rilassate a seconda delle applicazioni specifiche. Infine, la possibilità di una comunicazione continua tra dispositivi portatili (ad es., smartphone, smartwatch e tablet) e dispositivi indossabili o impiantabili richiede fortemente una riduzione della potenza del sottosistema di comunicazione (TX/RX) al di sotto del livello di micro-Watt, essendo interamente sostenuta dall'energia recuperata. Lo scopo di questa tesi è mostrare molti dei miglioramenti recentemente ottenuti nella progettazione IC per IMD senza batteria (dal Capitolo 1 al Capitolo 3) e dispositivi IoE (dal Capitolo 4 al Capitolo 5). Il lavoro è strutturato come segue. Dopo una breve introduzione che presenta le soluzioni di energy harvesting per WBAN e WSN, il Capitolo 1 mostra le validazioni sperimentali di un raddrizzatore attivo ad alta efficienza per dispositivi impiantabili alimentati da una fonte di energia a ultrasuoni. La dimostrazione del circuito è presentata e il circuito è implementato in una tecnologia CMOS bulk a 28 nm fornita da TSMC. Il Capitolo 2 presenta una revisione e una modellazione in Verilog-A di raddrizzatori attivi regolati, come argomento di grande attualità per IMD, per soluzioni di gestione dell'energia/potenza a minore area e maggiore efficienza. Nel Capitolo 3 viene presentata la progettazione e validazione su silicio (tecnologia TSMC a 180 nm) di un OTA a 4 stadi e 0.6 V per circuiti di regolazione e sensori ad alte prestazioni. Il Capitolo 4 introduce una nuova topologia di Digital-OTA (DigOTA) per la scalabilità sia nella tecnologia di processo sia nel consumo di energia. Il circuito proposto mostra un consumo energetico di circa 90 nW e una larghezza di banda di 166.6 kHz, operando con una tensione di alimentazione di 0.3 V. Il modello analitico è presentato e validato attraverso simulazioni e misurazioni sperimentali in una tecnologia a 28 nm. Il Capitolo 5 mostra la progettazione e la validazione su silicio del primo trasmettitore WiFi 802.11b a backscattering con consumo inferiore al micro-Watt, alimentato unicamente da una fonte di energia a 2.4 GHz (senza batteria). È presentata anche una prova di concetto per il rilevamento del movimento/posizione basato sulla potenza del segnale ricevuto (RSS) del sistema proposto. Il sistema è implementato con una tecnologia di processo a 180 nm e validato sotto variazioni di processo, tensione e temperatura (PVT). È inoltre dimostrata la conformità allo standard WiFi 802.11b. Infine, nel Capitolo 6 vengono tratte le conclusioni.
Battery-less; Harvesting; CMOS; Backscattering; DigOTA; AC/DC; OTA; WiFi; Implantable Medical Devices
Battery-less; Harvesting; CMOS; Backscattering; DigOTA; AC/DC; OTA; WiFi; Dispositivi Biomedici Impiantabili
Circuiti Elettronici Integrati per Applicazioni Battery-less IoT e Dispositivi Biomedici Impiantabili / Privitera, Marco. - (2024 Dec 09).
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.11769/658170
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