Ultra low-power analog and mixed-signal SoCs for smart sensors applications

The relentless miniaturization of microelectronic technologies is leading to drastically reduce power consumption thus making possible the design of sensor nodes for distributed sensing or the integration of multiple sensing systems in portable, consumer electronic devices. In these systems low- power low-noise front-ends have to acquire, digitize and transmit information. To improve energy e ciency design solutions should be found to keep power consumption as low as possible and improving the e ciency of all the circuit blocks. A/D converters with energy e ciency better than 20 fJ/conversion step must be investigated as well as high e ciency transceivers for short range radio links. To meet the recent trends of consumer and in general portable electronic applications, three di erent e ciency oriented designs were presented in this work. Two earth magnetic eld sensing systems to support the development of indoor navigation systems and a multichannel wireless neural probing systems with state-of the-art e ciency. In particular, both a 3-axes Lorentz force based and a 3-axes AMR magnetic eld sensing readout integrated circuits were designed in CMOS 0.35µm to provide the signal ampli cation and digitalization. The Lorentz force based sensing system is the rst presented in literature with an integrated readout electronics, works with a 3V supply, achieves a resolution of 28mGa and a programmable full-scale-range up to 24Ga with less than 1mW power consumption per channel. Thanks to better sensor characteristics, the AMR sensing system is designed to achieve 4mGa resolution, a full scale range of 10Ga drawing only 180µW per-axis from a 1.8V power supply and it is currently under measurements. The neural probing system is fabricated in 0.13µm process, features 64 channels, each comprising a low-noise ampli ers and an 10bit 6fJ/cstep e ciency ADC. The systems is provided with an UWB wireless link able to transmit a 20mbps bit stream to a 7m far receiver. The overall system power consumption is equal to 965µW from a 0.5V supply, it is the lowest among multichannel (>32) systems and it is achieved with the widest transmission range.

Il ritmo di miniaturizzazione impresso dal progresso della tecnologia microelettronica sta portando ad una drastica riduzione del consumo di energia da parte dei circuiti, rendendo possibile il progetto di sistemi integrati multi-sensore compatibili con l'impiego in dispositivi di consumo come smartphones e tablet. In questi sistemi, fron-end a basso rumore e basso consumo di potenza devono acquisire, digitalizzare e trasmettere l'informazione proveniente da ciascun sensore. Al ne di migliorarne l'e cienza, sono spesso richieste nuove soluzioni progettuali volte a ottimizzare sia l'architettura di sistema, che le prestazioni dei singoli blocchi. Convertitori analogico-digitali con e cienze migliori di 20fJ/conversion-step e trasmettitori a basso consumo e corto raggio sono solo alcuni dei circuiti richiesti per questo tipo di applicazioni. In questo lavoro sono presentati tre di erenti progetti per la realizzazione di sistemi di sensori compatibili con le piú recenti speci che di e cienza richieste dall'elettronica di consumo ed in particolare dei dispositivi portatili. In particolare, é discusso il progetto di due sistemi di lettura del campo magnetico terrestre utili all'integrazione con sensori di movimento al ne di permettere migliori funzionalitá di rilevamento spaziale come la navigazione indoor. In aggiunta, é illustrato anche il progetto di un sistema di rilevazione e trasmissione wireless del segnale neuronale ad alta e cienza per esperimenti di neuroscienze. Entrambi i front-end per il sensing del campo mag- netico sono parti di sistemi a 3-assi x-y-z e sono progettati in tecnologia CMOS 0.35µm ma si interfacciano con sensori di natura di erente. Il primo é basato sulla Forza di Lorentz, il secondo sfrutta le proprietá anisotropiche magneto-resistive (AMR) di speci ci materiali (alloys). Il sis- tema di sensing Lorentz sfrutta la recente tecnologia MEMS ed é il primo esempio presentato in letteratura di sistema comprendente sensore ed elettronica di lettura integrata. É alimentato a 3V, o re una risoluzione di 28mGa ed un Full-Scale Range programmabile no a 24Ga per un consumo inferiore ad 1mW per canale. Grazie ad una tecnologia di produzione del sensore piá consolidata, il sistema AMR é progettato per garantire no a 4mGa di risoluzione, su un full-scale di 10Ga, assorbendo soltanto 180µW per-axis da una alimentazone di 1.8V e le sue prestazioni sono attualmente in fase di misura. La sonda neuronale, in ne, é fabbricata in tecnologia CMOS 0.13µm, dispone di 64 canali di ac- quisizione ciascuno comprendente un ampli catore a basso rumore ed un convertitore analogico digitale con 6fJ/cstep di e cienza. La trasmissione wireless é realizzata grazie ad un link UWB in grado di sostenere un usso di dati no a 20Mbps ed un range di trasmissione no a 7m. Con un consumo inferiore a 965µW ed una alimentazione di 0.5V, é il piú e ciente sistema multi- canale (>32) per esperimenti neuronali su animali di laboratorio ed ottiene il maggior range di trasmissione tra quelli nora presentati in letteratura.