Progetto di un circuito integrato CMOS a modulazione demodulazione per misure d'impedenza su larga banda

L’interesse della comunità scientifica verso lo sviluppo di biosensori che utilizzano la spettroscopia d’impedenza è crescente. Effettuare la caratterizzazione delle proprietà cellulari da segnali elettrici esterni non richiede la presenza di marcatori addizionali ed è compatibile con la tecnologia CMOS, permettendo profonda integrazione funzionale. In particolare, realizzando il sistema di misura su chip sarebbe possibile determinare le proprietà delle cellule in modo rapido e non invasivo, con elevata risoluzione spaziale, riducendo i parassitismi e i problemi di accessibilità. Nel presente lavoro di tesi è stato progettato un circuito per indagine spettroscopica completamente integrato: la risoluzione è agli attofarad e la massima frequenza di indagine è 100MHz. È stata implementata una topologia architetturale innovativa rispetto a quella di un classico amplificatore a transimpedenza, che ha permesso di ottenere banda di indagine molto ampia senza compromettere le prestazioni in termini di sensibilità. L’idea che sta alla base della nuova architettura consiste nel traslare il segnale errore della retroazione a bassa frequenza, lì effettuarne l’amplificazione, e riportarlo poi ad alta frequenza per chiudere l’anello di retroazione. Portare il segnale utile a bassa frequenza permette di amplificarlo anche disponendo di un amplificatore a banda limitata: viene dunque a cadere il compromesso progettuale relativo al prodotto guadagno-banda finito dell’amplificatore. Inoltre il segnale nel cammino d’andata del circuito è traslato sempre alla stessa frequenza, indipendentemente dalla frequenza di indagine del campione: si assicura così un elevato guadagno d’anello per tutte le frequenze d’indagine, il cui valore non dipende dalla frequenza del segnale in ingresso stesso. La banda di rumore ottenuta, infine, è molto contenuta: la larghezza di banda della funzione di trasferimento è di qualche kiloherz pur riuscendo ad amplificare segnali con frequenze fino al centinaio di megaherz. Nel suo complesso, il sistema realizzato consiste in un amplificatore retroazionato tramite capacità nell’intorno della frequenza di stimolo, con tutti i vantaggi appena elencati.