GBM8320 - Dispositifs Médicaux Intelligents

GBM8320 - Dispositifs M´edicaux Intelligents
Laboratoire #1
Potentiostat CMOS pour capteurs ´electrochimiques implantables
G. Simard, L.-F. Tanguay et M. Sawan
Janvier 2010
Introduction
Les capteurs ´electrochimiques amp´erom´etriques sont largement utilis´es en biotechnologie.
Ces capteurs offrent une bonne sensibilit´e ainsi qu’une bonne s´electivit´e dans la d´etection
d’esp`eces chimiques [1] et biologiques. Il y a un int´erˆet grandissant pour l’utilisation de tels
capteurs dans les microsyst`emes implantables capables de d´etecter et surveiller la concentra-
tion d’oxyg`ene, de glucose, de CO2, et de cholest´erol dans le sang. Ces dispositifs requi`erent
des circuits hautement int´egr´es `a consommation ultra-faible.
Les capteurs amp´erom´etriques mesurent le courant ´electrique traversant une cellule ´elec-
trochimique en maintenant le potentiel d’interface des ´electrodes `a une valeur constante. Le
courant traversant la cellule est alors reli´e de fa¸con lin´eaire `a la concentration chimique de
l’esp`ece ´electroactive en solution. Un potentiostat est utilis´e pour maintenir une tension de
polarisation constante entre l’´electrode de r´ef´erence (RE) et l’´electode de mesure (working
electrode - WE) et simultan´ement mesurer de fa¸con non intrusive le courant d’oxydor´educ-
tion r´esultant. Un diagramme bloc d’un tel syst`eme est montr´e `a la figure 1. Dans cette
figure, l’´electrode de mesure WE est montr´ee avec une membrane s´elective chimiquement
(Chemically Sensitive Membrane - CSM).
L’objectif de ce laboratoire est de concevoir les circuits requis pour interfacer avec des
capteurs ´electrochimiques amp´erom´etriques en comprenant les d´efis que repr´esentent le de-
sign de tels circuits dans une technologie CMOS submicrom´etrique avanc´ee. Plus sp´ecifique-
ment, vous allez concevoir l’amplificateur op´erationnel (OA) de la figure 1 [2], ainsi que le
convertisseur courant-tension.
1 Convertisseur de courant-tension
R´ealisez le sch´ema dans Composer (schematic cellview) du convertisseur courant-tension
montr´e `a la figure 2. Les dimensions des transistors sont donn´es dans le titre de la figure. En-
suite, cr´eez une vue symbol de ce sch´ema telle que montr´ee `a la figure 3. Pour ce faire, utilisez
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Fig. 1 – Diagramme bloc d’un syst`eme de mesure amp´erom´etrique 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 fenˆetre du logiciel d’´edition de
sch´ema.
1.1 Simulations et questions
1. Donnez une description qualitative mais pr´ecise du fonctionnement du circuit de conver-
sion courant-tension. (1 point)
2. Dessinez le banc d’essai montr´e `a la figure 4. Effectuez une simulation DC Sweep sur
le courant d’entr´ee Iin de 10 nA `a 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. ` A partir de la courbe g´en´er´ee, d´eterminez l’erreur maximale de conversion de
ce convertisseur courant-tension. (1 point)
Note : Vous pouvez descendre dans la hi´erarchie du symbole que vous avez cr´e´e pour
voir les transistors au niveau sch´ematique. Pour ce faire, s´electionnez le symbole dans le
sch´ema, et choisissez Design-Hierarchy-Descend Edit `a partir du menu. Pour revenir `a votre
banc d’essai, faites Design-Hierarchy-Return.
2 Amplificateur op´erationnel
R´ealisez le sch´ema de l’amplificateur op´erationnel montr´e `a la figure 5. Les dimensions
des transistors sont donn´ees dans le tableau 1. Ensuite, cr´eez une vue symbole de ce sch´ema
telle que montr´ee `a la figure 6. Vous pouvez dessiner la forme triangulaire habituelle de
l’amplificateur op´erationnel `a l’aide des outils de dessin de l’´editeur de symboles.
2.1 Simulations et questions
1. Effectuez une simulation AC de 10 Hz `a 10 GHz de cet amplificateur op´erationnel en
vous basant sur le banc d’essai montr´e `a la figure 7. Pour la source AC, choisissez AC
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Fig. 5 – Sch´ema de l’amplificateur op´erationnel
Fig. 6 – Vue symbolique de l’amplificateur op´erationnel
Voltage = 1V et DC Voltage = 0V. Utilisez des marqueurs dans l’outil Waveform pour
r´epondre aux questions suivantes :
(a) D´eterminez le gain DC ; (1 point)
(b) D´eterminez la fr´equence -3 dB ; (1 point)
(c) D´eterminez la fr´equence de gain unitaire ; (1 point)
(d) D´eterminez les marges de gain et de phase. (1 point)
3 Potentiostat CMOS complet
Assemblez le potentiostat CMOS complet tel qu’illustr´e `a la figure 8. Vous allez simuler
l’´electrode 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 op´erationnel
Composant Valeur
M1 15 µm/1µm
M2 2 µm / 500 nm
M3 2 µm / 500 nm
M4 15 µm/1µm
M5 5 µm/1µm
M6 5 µm/1µm
M7 5 µm/1µm
M8 5 µm/1µm
M9 15 µm/1µm
M10 8.75 µm/1µm
RC10 kΩ
CC100 fF
Fig. 7 – Banc d’essai de l’amplificateur op´erationnel
balay´ee de 10 nA `a 10 µA. Pour ce faire, utilisez une variable WE current comme valeur de
DC Current. Le transistor servant `a controller la tension de l’´electrode WE a les dimensions
W=100µm et L=0.5µm. Utilisez une tension de r´ef´erence VREF nominale de 1V DC.
Utilisez les instances (vues symboliques) de l’amplificateur op´erationnel et du convertis-
seur courant-tension que vous avez cr´e´ees pr´ec´edemment pour construire ce sch´ema.
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’entr´ee de r´ef´erence VREF de 0V `a 1.8V.
(a) D´eterminez la plage de tension de r´ef´erence VREF pour laquelle le potentiostat est
efficace ; (1 point)
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