Diseño de circuitos CMOS de bajo consumo para aplicaciones biomédicas basadas en técnicas ...

209 Pages·2016·5.96 MB·English

by  Javier Ramos Maganés

Universidad de Extremadura

TESIS DOCTORAL

DISEÑO DE CIRCUITOS CMOS DE BAJO CONSUMO PARA
APLICACIONES BIOMÉDICAS BASADAS EN TÉCNICAS DE IMPEDANCIA
BIOELÉCTRICA

Javier Ramos Maganés

Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática

Conformidad del/los Director/res:

Fdo: José Luis Ausín Sánchez Fdo: Juan Francisco Duque Carrillo

2015

Reviewed by

Professor Mart Min, Tallinn University of Technology, Estonia
Professor Clara-Helena González-Correa, Universidad de Caldas, Colombia
Professor Guido Torelli, University of Pavia, Italy

"A mi familia y amigos, por todo su cariño, apoyo y comprensión"

Agradecimientos

"Es de bien nacido ser agradecido", y no puedo más que empezar este documento
dando las gracias. Gracias.
Gracias en general a todo aquel y todo aquello que se ha cruzado en mi camino
durante todo este tiempo que ha durado la elaboración de este trabajo. Todos y todo
han participado de la situación que se produce en este momento en el cual se procede a
cerrar esta etapa.
En primer lugar me gustaría expresar mi más sincero agradecimiento a mis
directores de tesis por todos sus consejos y enseñanzas, no solo en el ámbito académico
y profesional sino también en el plano personal.
Gracias a todos los miembros del departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica
y Automática, y en particular a Ignacio Brinquete, José María Valverde, Miguel Ángel
Domínguez, José Antonio Moreno, Juan Manuel Carrillo y Raquel Pérez-Aloe por
poner amablemente sus conocimientos a mi disposición.
Gracias a mis compañeros Antonio Lorido y Javier Redondo, por hacer, durante el
tiempo que hemos compartido juntos, un poquito más agradable, si es posible, el
ambiente de trabajo en investigación.
Gracias a la Junta de Extremadura, la cual ha facilitado la realización de este trabajo
doctoral poniendo medios a mi disposición para la ejecución y divulgación de las
tareas necesarias para la finalización del mismo. Del mismo modo me gustaría
agradecer al Ministerio de Economía y Competitividad la ayuda prestada a través del
proyecto TEC2010-19019.
En lo personal, me gustaría agradecer a mis amigos su interés de corazón por mi
trabajo doctoral y por mis estados de ánimo durante la realización del mismo. Tanto
vosotros como yo sabemos bien quienes sois y lo que vuestra presencia ha aportado a
este trabajo.
Para finalizar, gracias a mi familia por su apoyo constante y paciencia sin límites en
este camino. Gracias por estar y saber estar a mi lado.

"Yo soy yo y mi circunstancia"
Ortega y Gasset
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LIST OF FIGURES....................................................................................................... i

LIST OF TABLES. .................................................................................................... vii

RESUMEN. .................................................................................................................. ix

ABSTRACT. ................................................................................................................ xi

Chapter 1. INTRODUCTION. .................................................................................... 1

1.1. MOTIVATION OF THE RESEARCH. ......................................................... 2
1.2. OBJECTIVES OF THE WORK ..................................................................... 6
1.3. ORGANIZATION OF THE THESIS. ............................................................ 8
1.4. REFERENCES. ............................................................................................ 10

Chapter 2. ELECTRICAL BIOIMPEDANCE TECHNOLOGY. ........................ 11

2.1. FUNDAMENTALS OF EBI TECHNOLOGY. ........................................... 12
2.2. EBI MEASURING SYSTEMS .................................................................... 18
2.2.1. Two- and four-electrode electrical bioimpedance measurements. ................ 18
2.2.2. Principle of operation for EBI measurements. .............................................. 23
2.2.3. Monolithic implementations of EBI sensors ................................................. 31
2.2.4. Multichannel bioimpedance measurements .................................................. 37
Outline
2.3. EBI MEDICAL APPLICATIONS: PITFALLS AND NEW
PERSPECTIVES ........................................................................................... 40
2.4. REFERENCES. ............................................................................................. 45

Chapter 3. A PLATFORM FOR EBI BIOMEDICAL APPLICATIONS. ........... 51

3.1. CONSIDERATIONS AND REQUIREMENTS OF A HIGH-
PERFORMANCE MULTISITE EBI MEASUREMENTS. ......................... 52
3.2. A NOVEL APPROACH FOR MULTICHANNEL EBI
MONITORING ............................................................................................. 54
3.2.1. Body sensor networks (BSN). ....................................................................... 54
3.2.2. Sytem description: structure and functionality .............................................. 59
3.2.3. High-performance wireless EBI spectrometer .............................................. 62
3.4. REFERENCES. ............................................................................................. 69

Chapter 4. INSTRUMENTATION AMPLIFIER. .................................................. 71

4.1. SPECIFICATIONS AND DESIGN CONSIDERATIONS .......................... 72
4.2. CIRCUIT DESIGN AND IMPLEMENTATION ......................................... 78
4.3. POST-LAYOUT AND EXPERIMENTAL RESULTS ................................ 83
4.4. REFERENCES. ............................................................................................. 87

Chapter 5. GAIN-PHASE DETECTOR. .................................................................. 91

5.1. SPECIFICATIONS AND DESIGN CONSIDERATIONS .......................... 92
5.2. CIRCUIT DESIGN AND IMPLEMENTATION ....................................... 106
5.3. POST-LAYOUT AND EXPERIMENTAL RESULTS .............................. 113
5.4. REFERENCES. ........................................................................................... 121