Potenciostato implantable integrado en tecnología CMOS

II Congreso de Microelectrónica Aplicada - La Plata - 7 al 9 de Septiembre de 2011 Potenciostato Implantable Integrado en Tecnologa CMOS Fabio A. Guamieri *, Mariano García Inza t, Jos Lipovezky t, Alejandro de la Plaza * Universidad de Entre Ros t Universidad de Buenos Aires Abstract—Se describe la integración en tecnología CMOS de un circuito de potenciostato a ser implantado como parte de un dispositivo utilizado en el control de la presión interior del globo ocular. El potenciostato es un esquema circuital que permite el control y monitoreo de procesos electroquímicos, posibilitando el ajuste de la tensión aplicada a los electrodos, as como la medición de la corriente galvánica resultante. I. Introducción El uso de tres electrodos para el control y supervisión de un proceso electro-químico asegura la independencia de las tensiones aplicadas respecto a potenciales electroquímicos y caídas de tensión óhmicas en la interfase electrodo-electrolito, La configuración circuital denominada it potenciostato, in­ cluye un electrodo denominado de referencia cuya corriente es nula, asegurándose de este modo que dicho electrodo no participa del proceso electroquímico, mientras es utilizado como referencia de tensión. La figura muestra un ejemplo de aplicación, donde se muestra una cuba conteniendo la solución electrolítica, y los tres electrodos en una conección muy utilizada: • ET: Electrodo de trabajo • EC: Electrodo de control o contra-electrodo • ER: Electrodo de referencia El lazo de realimentación establecido con el amplificador operaciónal Ai fuerza la tensión entre los electrodos ET y ER ser igual a Vct¡, la tensión de entrada del circuito. La elevada impedancia de la entrada no inversora de Ai asegura que la corriente en el electrodo ER de referencia es nula. La tensión de salida de Ai es aplicada al contra-electrodo EC, estableciendo la ya descripta tensión de polarización en la cuba. El amplificador ri2 es utilizado para medir la corriente de la reacción, utilizando la resistencia R para convertir valores de corriente a valores de tensión, al mismo tiempo que el lazo de realimentación fuerza el potencial del electrodo ET a masa. En el caso particular de esta aplicación, donde el proceso electrolítico se realiza en una membrana sólida parte de una estructura MEMS a ser implantada en el globo ocular, es necesario permitir una gran flexibilidad en términos de valor y signo de la tensión aplicada. mediante el uso de un amplificador completamente diferencial que puede describirse mediante la ecuación: V+out — V-out = (V+in — V-in) ' A (1) donde A es la ganancia diferencial del amplificador. La Fig. muestra un amplificador completamente diferencial utilizado como potenciostato: la tensión de control VcU es aplicada a la entrada, y el lazo de realimentación diferencial fuerza que una tensión igual sea aplicada al electrodo ET. (2) VET = Vctl En un amplificador completamente-diferencial el circuito de realimentación solo puede controlar la diferencia de tensiones de salida. La tensión de modo comn de salida V+out + V_out debe ser prefijada por un circuito de polarización independi­ ente. Esto se mecaniza mediante un lazo de realimentación que incluye un circuito sensor de dicha tensión de salida de modo-comn. En la Fig. esta función la realiza el electrodo ER, conectado a los otros dos electrodos a travs de las resisten­ cias internas del electrolito. El amplificador Amc compara la tensión del electrodo ER con masa y cierra el lazo de realimentación. De esta manera, la tensión de modo comn se ajusta de manera tal que el electrodo ER adquiere el potencial de masa. Ver = I/^ÍVet + VEc) = 0 (3) Esta disposición permite invertir la tensión aplicada a los electrodos maximizando el rango posible con un cierto valor de voltaje de alimentación. II. Descripción del Circuito III. Diseo del Amplificador Para minimizar el consumo de corriente de un circuito complejo es conveniente reducir la cantidad de estructuras circuitales mediante la re-utilización de algunas de ellas. En este caso, es posible reducir la cantidad de amplificadores Diferencial-Diferencial La Fig. muestra un esquema simplificado del amplificador completamente diferencial. Los transistores MiM2 forman el 30 II Congreso de Microelectrónica Aplicada - La Plata - 7 al 9 de Septiembre de 2011 Fig. 2. Potenciostato completamente diferencial \7 (b) Clase B Fig. 4. Fig. 3. 30. Para incrementar la ganancia e incrementar la máxima corriente de señal en la etapa de salida, se reemplazaron los espejos de corriente simples (Fig. ) que se muestran en el circuito simplificado por una etapa que opera en clase B. Este circuito se puede observar en la Fig. . Se agrega una fuente de corriente formada por un transistor en source común, que limita la corriente del transistor en la configuración diodo. De esta manera, cuando la corriente de entrada es menor a la que determina la polarización de la fuente de corriente, la tensión de dicha fuente colapso a prácticamente un valor cero, y el espejo opera como el circuito simple, con una ganancia de corriente igual a la relación de forma (w/lf Circuito CMOS simplificado par diferencial. M5, M6, Mp y Ms en la configuración de gafe común reflejan la corriente de señal, para maximizar la excursión de la etapa de salida, implementada en este caso por cuatro espejos de corriente en configuración puente. Un ajuste de las tensiones de polarización y V¡,2 permite variar el valor de tensión de modo común de los terminales de salida. La ganancia del amplificador simplificado esta determinada por la transconductancia del par diferencial y la resistencia equivalente de entrada a los espejos de corriente: gm = Ieekp(w/l) (4) donde kp es igual a pP ■ Co, siendo gp es la movilidad de los portadores en el canal de un transistor de canal p y Co es la capacidad intrnseca del canal. Iee es la corriente de polarización del par diferencial. La ganancia es entonces: G= — gme Amplificadores de corriente (5) donde gmd y gme son las transconductancias del par diferencial y el transistor de entrada al espejo de corriente respectivamente. Suponiendo que ambos transistores tienen la misma corriente de reposo: (6) un valor relativamente pequeño dado el límite en el valor máximo de (w/l)d para que los transistores del par diferencial continúen operando en la región de inversión fuerte. En este caso, se adoptaron (w/ljd = 100 y (w/l)e = 1/10 por lo que se obtiene una ganancia para la etapa de aproximadamente 31 II Congreso de Microelectrónica Aplicada - La Plata - 7 al 9 de Septiembre de 2011 Vdd TABLE I (w/l)s (.w/lfi Modelo TSMC 0.18 (7) Cuando la corriente de entrada supera el valor prefijado, la corriente que circula por el transistor en la configuración diodo queda limitada, y la resistencia de entrada al espejo es igual a la resistencia de salida del transistor que forma la fuente de corriente, Mr. La ganancia de corriente de la etapa resulta entonces: E Qms ' do Parámetros Magnitud Ganancia GW 17.000 3.2 3 12 Vdd ^dd Unidad v/v MHz Volt pA V. Conclusiones La prestación de un circuito que implementa un potenciostato puede ser optimizada utilizando un circuito comple­ tamente diferencial. Con esta configuración es posible utilizar tensiones de control bipolares maximizando simultaneamente la excursión posible de tensión, una caracterstica importante para circuitos implantables que no cuentan con alimentación de potencia autónoma. (8) donde ho = A • Iumit es la resistencia de drenaje de Mr, y gms es la transconductancia del transistor principal de salida. La Fig. muestra el esquemático del circuito CMOS com­ pleto, incluyendo el amplificador de modo común. References [1 ] P.A. Boutet, S. Manen, Low power CMOS potentiostat for three electrodes amperometric chemical sensor, 2011 Faible Tension Faible Consommation, Marruecos, 2011. [2] M. M. Ahmadi and G. Jullien , Current-Mirror-Based Potentiostats for Three-Electrode Amperometric Electrochemical Sensors, IEEE Trans­ actions on Circuits and Systems, vol. 56, no. 7, July 2009. [3] W'-.S’. Wang, W-T Kuo , H-Y. 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Los resultados de la simulación del amplificador completo se muestran en la Tabla . 32