Design of an ultra-low-power integrated amplifier for cardiac signal implantable sensors

Nowadays, health monitoring is a crucial area of research, given the increasing need to detect vital parameters in order to obtain accurate diagnoses in a short time, continuously collect informations about the health status of patients, and quickly intervene in critical circumstances. This thesis focuses on electrocardiogram (ECG) signals recording, being of the utmost importance for the diagnosis of cardiovascular diseases. Implantable devices are often used for this purpose, because they allow unobtrusive measurements, resulting in reliable signals with better rejection of interferences and artifacts. An ultra-low power amplifier intended for implantable sensors is presented. The overall system has a limited battery capacity, thus making power consumption a key aspect when it comes to design choices. Furthermore, ECG signals have a limited amplitude and are often affected by large DC offsets, thus emphasizing the need to design ac-coupled amplifiers that introduce minimal noise levels. This circuit topology employs stacked inverter-based operational transconductance amplifiers (OTAs), that add up each transconductance, but using the same current, thereby implementing the current-reuse technique, in order to improve noise and power efficiency, while providing high gain. The design was implemented in a 130-nm CMOS process. A stacked inverter-based operational transconductance amplifier (OTA) designed to process ECG signals is then presented. It achieves a differential mode gain of 23.9 dB in-band, a bandwidth of 10.5 kHZ, a common-mode rejection ratio CMRR of 59 dB, a power supply rejection ratio PSRR of 62 dB and thermal noise of 116 nV/Hz.

Al giorno d'oggi, il monitoraggio della salute è un'area di ricerca cruciale, data la crescente necessità di rilevare i parametri vitali per ottenere diagnosi accurate in tempi brevi, raccogliere continuamente informazioni sullo stato di salute dei pazienti e intervenire rapidamente in circostanze critiche. Questa tesi si colloca nell'ambito della registrazione di segnali ECG, essendo di estrema importanza per la diagnosi delle malattie cardiovascolari. I dispositivi impiantabili sono spesso utilizzati per questo scopo, in quanto consentono misurazioni poco invasive, ottenendo così segnali affidabili con una migliore reiezione di interferenze e artefatti. Viene presentato un amplificatore a bassissima potenza per sensori impiantabili. Il sistema nel suo complesso ha una batteria di capacità limitata, il che rende il consumo di potenza un aspetto fondamentale nelle scelte di progettazione. Inoltre, i segnali ECG hanno un'ampiezza limitata e sono spesso affetti da ampi offset in DC, evidenziando così la necessità di progettare amplificatori accoppiati in AC, che introducano livelli di rumore minimi. Questa topologia circuitale impiega amplificatori operazionali di transconduttanza (OTA) realizzati con inverter di tipo stacked, che sommano ciascuna transconduttanza, utilizzando la stessa corrente, implementando quindi la tecnica del riutilizzo di corrente, al fine di migliorare l'efficienza di rumore e di potenza, fornendo al contempo un elevato guadagno. Il progetto è stato implementato in un processo CMOS a 130 nm. Si presenta quindi un amplificatore operazionale di transconduttanza basato su inverter di tipo stacked, pensato per processare segnali ECG. Esso presenta un guadagno di modo differenziale pari a 23.9 dB in banda, una larghezza di banda di 10.5 kHz, un rapporto di reiezione di modo comune CMRR di 59 dB, un rapporto di reiezione della tensione di alimentazione PSRR di 62 dB e rumore termico pari a 116 nV/Hz.