GBM8320 - Dispositifs Médicaux Intelligents

GBM8320 - Dispositifs Médicaux Intelligents
Laboratoire #1
Potentiostat CMOS pour capteurs électrochimiques implantables
G. Simard, L.-F. Tanguay et M. Sawan
Janvier 2010
Introduction
Les capteurs électrochimiques ampérométriques sont largement utilisés en biotechnologie.
Ces capteurs offrent une bonne sensibilité ainsi qu’une bonne sélectivité dans la détection
d’espèces chimiques [1] et biologiques. Il y a un intérêt grandissant pour l’utilisation de tels
capteurs dans les microsystèmes implantables capables de détecter et surveiller la concentration d’oxygène, de glucose, de CO2 , et de cholestérol dans le sang. Ces dispositifs requièrent
des circuits hautement intégrés à consommation ultra-faible.
Les capteurs ampérométriques mesurent le courant électrique traversant une cellule électrochimique en maintenant le potentiel d’interface des électrodes à une valeur constante. Le
courant traversant la cellule est alors relié de façon linéaire à la concentration chimique de
l’espèce électroactive en solution. Un potentiostat est utilisé pour maintenir une tension de
polarisation constante entre l’électrode de référence (RE) et l’électode de mesure (working
electrode - WE) et simultanément mesurer de façon non intrusive le courant d’oxydoréduction résultant. Un diagramme bloc d’un tel système est montré à la figure 1. Dans cette
figure, l’électrode de mesure WE est montrée avec une membrane sélective chimiquement
(Chemically Sensitive Membrane - CSM).
L’objectif de ce laboratoire est de concevoir les circuits requis pour interfacer avec des
capteurs électrochimiques ampérométriques en comprenant les défis que représentent le design de tels circuits dans une technologie CMOS submicrométrique avancée. Plus spécifiquement, vous allez concevoir l’amplificateur opérationnel (OA) de la figure 1 [2], ainsi que le
convertisseur courant-tension.
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Convertisseur de courant-tension
Réalisez le schéma dans Composer (schematic cellview) du convertisseur courant-tension
montré à la figure 2. Les dimensions des transistors sont donnés dans le titre de la figure. Ensuite, créez une vue symbol de ce schéma telle que montrée à la figure 3. Pour ce faire, utilisez
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Fig. 1 – Diagramme bloc d’un système de mesure ampérométrique selon [3]
Fig. 2 – Convertisseur courant-tension, les transistors mesurent 20µm par 1µm, R = 25 kΩ
la commande Design-Create Cellview-From Cellview dans la fenêtre du logiciel d’édition de
schéma.
1.1
Simulations et questions
1. Donnez une description qualitative mais précise du fonctionnement du circuit de conversion courant-tension. (1 point)
2. Dessinez le banc d’essai montré à la figure 4. Effectuez une simulation DC Sweep sur
le courant d’entrée Iin de 10 nA à 10 µA et faites afficher la tension de sortie Vout du
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Fig. 3 – Vue symbolique du convertisseur courant-tension
Fig. 4 – Banc d’essai du convertisseur courant-tension
circuit. À partir de la courbe générée, déterminez l’erreur maximale de conversion de
ce convertisseur courant-tension. (1 point)
Note : Vous pouvez descendre dans la hiérarchie du symbole que vous avez créé pour
voir les transistors au niveau schématique. Pour ce faire, sélectionnez le symbole dans le
schéma, et choisissez Design-Hierarchy-Descend Edit à partir du menu. Pour revenir à votre
banc d’essai, faites Design-Hierarchy-Return.
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Amplificateur opérationnel
Réalisez le schéma de l’amplificateur opérationnel montré à la figure 5. Les dimensions
des transistors sont données dans le tableau 1. Ensuite, créez une vue symbole de ce schéma
telle que montrée à la figure 6. Vous pouvez dessiner la forme triangulaire habituelle de
l’amplificateur opérationnel à l’aide des outils de dessin de l’éditeur de symboles.
2.1
Simulations et questions
1. Effectuez une simulation AC de 10 Hz à 10 GHz de cet amplificateur opérationnel en
vous basant sur le banc d’essai montré à la figure 7. Pour la source AC, choisissez AC
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Fig. 5 – Schéma de l’amplificateur opérationnel
Fig. 6 – Vue symbolique de l’amplificateur opérationnel
Voltage = 1V et DC Voltage = 0V. Utilisez des marqueurs dans l’outil Waveform pour
répondre aux questions suivantes :
(a) Déterminez le gain DC ; (1 point)
(b) Déterminez la fréquence -3 dB ; (1 point)
(c) Déterminez la fréquence de gain unitaire ; (1 point)
(d) Déterminez les marges de gain et de phase. (1 point)
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Potentiostat CMOS complet
Assemblez le potentiostat CMOS complet tel qu’illustré à la figure 8. Vous allez simuler
l’électrode WE (Working Electrode) en utilisant une source de courant dont la valeur sera
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Tab. 1 – Valeurs des composants de l’amplificateur opérationnel
Composant Valeur
M1
M2
M3
M4
M5
M6
M7
M8
M9
M10
RC
CC
15 µm / 1 µm
2 µm / 500 nm
2 µm / 500 nm
15 µm / 1 µm
5 µm / 1 µm
5 µm / 1 µm
5 µm / 1 µm
5 µm / 1 µm
15 µm / 1 µm
8.75 µm / 1 µm
10 kΩ
100 fF
Fig. 7 – Banc d’essai de l’amplificateur opérationnel
balayée de 10 nA à 10 µA. Pour ce faire, utilisez une variable WE current comme valeur de
DC Current. Le transistor servant à controller la tension de l’électrode WE a les dimensions
W=100µm et L=0.5µm. Utilisez une tension de référence VREF nominale de 1V DC.
Utilisez les instances (vues symboliques) de l’amplificateur opérationnel et du convertisseur courant-tension que vous avez créées précédemment pour construire ce schéma.
3.1
Simulations et questions
1. Effectuez une simulation DC Sweep du circuit du potentiostat complet de la figure 8
en faisant varier la tension d’entrée de référence VREF de 0V à 1.8V.
(a) Déterminez la plage de tension de référence VREF pour laquelle le potentiostat est
efficace ; (1 point)
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Fig. 8 – Potentiostat CMOS complet avec alimentation et électrode modélisée
(b) Expliquez pourquoi la plage de tension de référence VREF ne s’étend pas de 0V à
1.8V ; (1 point)
2. Effectuez une simulation DC Sweep du circuit du potentiostat en faisant varier le
courant imposé par l’électrode de mesure WE current de 1 nA à 100 µA.
(a) Déterminez la plage de courant d’électrode de mesure pour laquelle la tension à
la sortie du convertisseur est représentative du courant à mesurer ; (1 point)
(b) Quel est le facteur limitatif qui empêche la tension Vout de suivre le courant d’électrode pour toute valeur de courant WE current ? (1 point)
Références
[1] S. Ayers, K.D. Gillis, M. Lindau, and B.A. Minch. Design of a cmos potentiostat circuit
for electrochemical detector arrays. Circuits and Systems I : Regular Papers, IEEE
Transactions on, 54(4) :736–744, April 2007.
[2] R. Jacob Baker. CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation, Second Edition. WileyIEEE Press, 2004.
[3] R.F.B. Turner, D.J. Harrison, and H.P. Baltes. A cmos potentiostat for amperometric
chemical sensors. Solid-State Circuits, IEEE Journal of, 22(3) :473–478, Jun 1987.
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