MEMS-based incandescent microlamps for integrated optics applications

In this work we present the fabrication and operation of incandescent microlamps for integrated optics applications. This microlamp emits white and infrared light from a chromium resistor embedded in a free-standing silicon oxynitride (SiO(x)N(y)) cantilever that can be coupled to an optical waveguide. In fact, the chromium resistor is sandwiched between layers of SiO(x)N(y) that isolate it from the atmosphere, while electric current heats the resistor to incandescent temperatures. The same SiO(x)N(y) material used in the microlamp fabrication is also used to produce the optical waveguides to allow a monolithic integration of light source and optical circuit. Front-side bulk micromachining of the silicon substrate in potassium hydroxide (KOH) solution is used to fabricate the cantilevers that thermally isolate the resistors from the substrate, thus reducing the heat transfer and the current required to light the lamp.

Analysis of source-follower buffers implemented with graded-channel SOI nMOSFETs operating at cryogenic temperatures

This work studies the operation of source-follower buffers implemented with standard and graded-channel (GC) fully depleted (FD) SCI nMOSFETs at low temperatures. The analysis is performed by comparing the voltage gain of buffers implemented with GC and standard SOI nMOS transistors considering devices with the same mask channel length and same effective channel length. It is shown that the use of GC devices allows for achieving improved gain in all inversion levels in a wide range of temperatures. In addition, this improvement increases as temperature is reduced. It is shown that GC transistors can provide virtually constant gain, while for standard devices, the gain departs from the maximum value depending on the temperature and inversion level imposed by the bias current and input voltage. Two-dimensional numerical simulations were performed in order to study the reasons for the enhanced gain of GC MOSFETs at low temperatures. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Advantages of graded-channel SOI nMOSFETs for application as source-follower analog buffer

In this work the performance of graded-channel (CC) SOI MOSFETs operating as source-follower buffers is presented. The experimental analysis is performed by comparing the gain and linearity of buffers implemented with CC and standard SOI MOS devices considering the same mask dimensions. It is shown that by using CC devices, buffer gain very close to the theoretical limit can be achieved, with improved linearity, while for standard devices the gain departs from the theoretical value depending on the inversion level imposed by the bias current and input voltage. Two-dimensional numerical simulations were performed in order to confirm some hypotheses proposed to explain the gain behavior observed in the experimental data. By using numerical simulations the channel length has been varied, showing that the gain of buffers implemented with CC devices remains close to the theoretical limit even when short-channel devices are adopted. It has also been shown that the length of a source-follower buffer using CC devices can be reduced by a factor of 5, in comparison with a standard Sol MOSFET, without gain loss or linearity degradation. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Serotonergic mechanisms of the median raphe nucleus-dorsal hippocampus in conditioned fear: Output circuit involves the prefrontal cortex and amygdala

Independent studies have shown that the median raphe nucleus (MRN) and dorsal hippocampus (DH) are involved in the expression of contextual conditioned fear (CFC). However, studies that examine the integrated involvement of serotonergic mechanisms of the MRN-DH are lacking. To address this issue, a CFC paradigm was used to test whether the serotonergic projections from the MRN to DH can influence CFC. Serotoninergic drugs were infused either into the MRN or DH prior to testing sessions in which freezing and startle responses were measured in the same context where 6 h previously rats received footshocks. A reduction of serotonin (5-HT) transmission in the MRN by local infusions of the 5-HT(1A) agonist 8-hydroxy-2-(di-n-propylamino)-tetralin (8-OH-DPAT) decreased freezing in response to the context but did not reduce fear-potentiated startle. This pattern of results is consistent with the hypothesis that MRN serotonergic mechanisms selectively modulate the freezing response to the aversive context. As for the DH, a decrease in postsynaptic 5-HT receptor activity at projection areas has been proposed to be the main consequence of 5-HT(1A) receptor activation in the MIRN. Intra-DH injections of 8-OH-DPAT inhibited both the freezing and fear-potentiated startle response to the context. To reconcile these findings, an inhibitory mechanism may exist between the incoming 5-HT pathway from the MRN to DH and the neurons of the DH output to other structures. The DH-amygdala or medial prefrontal cortex projections could well be this output circuit modulating the expression of CFC as revealed by measurements of Fos immunoreactivity in these areas. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Projecto de um regulador linear de tensão: LDO

Os reguladores de tensão LDO são utilizados intensivamente na actual indústria de electrónica, são uma parte essencial de um bloco de gestão de potência para um SoC. O aumento de produtos portáteis alimentados por baterias levou ao crescimento de soluções totalmente integradas, o que degrada o rendimento dos blocos analógicos que o constituem face às perturbações introduzidas na alimentação. Desta forma, surge a necessidade de procurar soluções cada vez mais optimizadas, impondo assim novas soluções, e/ou melhoramentos dos circuitos de gestão de potência, tendo como objectivo final o aumento do desempenho e da autonomia dos dispositivos electrónicos. Normalmente este tipo de reguladores tem a corrente de saída limitada, devido a problemas de estabilidade associados. Numa tentativa de evitar a instabilidade para as correntes de carga definidas e aumentar o PSRR do mesmo, é apresentado um método de implementação que tem como objectivo melhorar estas características, em que se pretende aumentar o rendimento e melhorar a resposta à variação da carga. No entanto, a técnica apresentada utiliza polarização adaptativa do estágio de potência, o que implica um aumento da corrente de consumo. O regulador LDO foi implementado na tecnologia CMOS UMC 0.18μm e ocupa uma área inferior a 0,2mm2. Os resultados da simulação mostram que o mesmo suporta uma transição de corrente 10μA para 100mA, com uma queda de tensão entre a tensão de alimentação e a tensão de saída inferior a 200mV. A estabilidade é assegurada para todas as correntes de carga. O tempo de estabelecimento é inferior a 6μs e as variações da tensão de saída relativamente a seu valor nominal são inferiores a 5mV. A corrente de consumo varia entre os 140μA até 200μA, o que permite atingir as especificações proposta para um PSRR de 40dB@10kHz.

A DC-DC Step-Up mu-Power Converter for Energy Harvesting Applications, Using Maximum Power PointTracking, Based on Fractional Open Circuit Voltage

A DC-DC step-up micro power converter for solar energy harvesting applications is presented. The circuit is based on a switched-capacitorvoltage tripler architecture with MOSFET capacitors, which results in an, area approximately eight times smaller than using MiM capacitors for the 0.131mu m CMOS technology. In order to compensate for the loss of efficiency, due to the larger parasitic capacitances, a charge reutilization scheme is employed. The circuit is self-clocked, using a phase controller designed specifically to work with an amorphous silicon solar cell, in order to obtain themaximum available power from the cell. This will be done by tracking its maximum power point (MPPT) using the fractional open circuit voltage method. Electrical simulations of the circuit, together with an equivalent electrical model of an amorphous silicon solar cell, show that the circuit can deliver apower of 1132 mu W to the load, corresponding to a maximum efficiency of 66.81%.

Integrated photonic filters based on SiC multilayer structures

Combined tunable WDM converters based on SiC multilayer photonic active filters are analyzed. The operation combines the properties of active long-pass and short-pass wavelength filter sections into a capacitive active band-pass filter. The sensor element is a multilayered heterostructure produced by PE-CVD. The configuration includes two stacked SiC p-i-n structures sandwiched between two transparent contacts. Transfer function characteristics are studied both theoretically and experimentally. Results show that optical bias activated photonic device combines the demultiplexing operation with the simultaneous photodetection and self amplification of an optical signal acting the device as an integrated photonic filter in the visible range. Depending on the wavelength of the external background and irradiation side, the device acts either as a short- or a long-pass band filter or as a band-stop filter. The output waveform presents a nonlinear amplitude-dependent response to the wavelengths of the input channels. A numerical simulation and a two building-blocks active circuit are presented and give insight into the physics of the device. (c) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Start-up circuit for low-power indoor light energy harvesting applications

A start-up circuit, used in a micro-power indoor light energy harvesting system, is described. This start-up circuit achieves two goals: first, to produce a reset signal, power-on-reset (POR), for the energy harvesting system, and secondly, to temporarily shunt the output of the photovoltaic (PV) cells, to the output node of the system, which is connected to a capacitor. This capacitor is charged to a suitable value, so that a voltage step-up converter starts operating, thus increasing the output voltage to a larger value than the one provided by the PV cells. A prototype of the circuit was manufactured in a 130 nm CMOS technology, occupying an area of only 0.019 mm(2). Experimental results demonstrate the correct operation of the circuit, being able to correctly start-up the system, even when having an input as low as 390 mV using, in this case, an estimated energy of only 5.3 pJ to produce the start-up.

Automated design of microwave discrete tuning differential capacitance circuits in Si-integrated technologies

A genetic algorithm used to design radio-frequency binary-weighted differential switched capacitor arrays (RFDSCAs) is presented in this article. The algorithm provides a set of circuits all having the same maximum performance. This article also describes the design, implementation, and measurements results of a 0.25 lm BiCMOS 3-bit RFDSCA. The experimental results show that the circuit presents the expected performance up to 40 GHz. The similarity between the evolutionary solutions, circuit simulations, and measured results indicates that the genetic synthesis method is a very useful tool for designing optimum performance RFDSCAs.

A Design methodology for integrated inductor-based DC-DC converters

A design methodology for monolithic integration of inductor based DC-DC converters is proposed in this paper. A power loss model of the power stage, including the drive circuits, is defined in order to optimize efficiency. Based on this model and taking as reference a 0.35 mu m CMOS process, a buck converter was designed and fabricated. For a given set of operating conditions the defined power loss model allows to optimize the design parameters for the power stage, including the gate-driver tapering factor and the width of the power MOSFETs. Experimental results obtained from a buck converter at 100 MHz switching frequency are presented to validate the proposed methodology.

Low-voltage low-power CMOS analogue circuits for Gaussian and uniform noise generation

IEEE International Symposium on Circuits and Systems, MAY 25-28, 2003, Bangkok, Thailand. (ISI Web of Science)

Implementação de um Array de detetores de radiação ionizante

Atualmente, as radiações ionizantes desempenham um papel fundamental nas áreas de diagnóstico e terapia, estando omnipresentes em ambientes hospitalares. Contudo, devido aos efeitos biológicos adversos da radiação, torna-se essencial a protecção dos profissionais de saúde e pacientes. Consequentemente, um array de detetores capazes de produzir um sinal acústico, aquando da presença de radiação ionizante excedendo determinados valores limite e transmissão via wireless das leituras para um sistema central _e de grande interesse prático. Nesta dissertação, foi implementado um sistema capaz de alimentar um array de sensores de radiação para monitorização de diferentes espaços e transmissão das leituras efetuadas via wireless. A aquisição de dados foi realizada, recorrendo à utilização de um conversor analógico-digital. Vários testes de validação foram realizados, através de vários passos para alcançar a concretização do sistema final, nomeadamente testes relativos ao circuito de detecção, módulos de comunicação wireless, bem como o uso de diferentes ambientes de desenvolvimento integrados (IDE). Os resultados destes testes mostram a visualização e gravação adequadas dos dados relativos aos níveis de radiação, bem como a transmissão de dados de forma viável, permitindo a monitorização de espaços sujeitos à presença de radiação ionizante. Desta forma, um array de contadores Geiger-Müller, ligados a módulos wireless XBee open-source e uma placa Arduino, possibilitou a implementação de um sistema viável e de baixo custo para monitorização de radiação ionizante e registar esses mesmos dados para posterior análise.

Design of switched-capacitor filters using low gain amplifiers

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Reconfiguração e desenvolvimento do sistema de controlo de um AGV

O veículo guiado automaticamente (AGV) adquirido pelo Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) tem vindo a ficar obsoleto devido ao hardware, que nos dias de hoje começa a dar sinais de falhas bem como falta de peças de substituição, e ao software, sendo o PLC (Programmable Logic Controller) usado muito limitado quanto às suas funções de controlo, ficando as principais tarefas de controlo do AGV a cargo de placas eletrónicas de controlo. Para promover o controlo autónomo do AGV, foi decidido retirar toda a parte de hardware que detinha o controlo do mesmo e passou a ser um novo PLC, com maior capacidade de processamento, a executar todo o tipo de controlo necessário ao funcionamento do mesmo. O hardware considerado apenas incluí, de forma resumida, os motores responsáveis pelo movimento e direção, placa de controlo de potência dos motores, placa de interface entre as saídas digitais do PLC e as entradas da placa de controlo de potência dos motores e os demais sensores necessários à deteção de obstáculos, fins de curso da direção, sensores dos postos de trabalho e avisadores de emergência. Todo o controlo de movimento e direção bem como a seleção das ações a executar passou a ficar a cargo do software programado no PLC assim como a interação entre o sistema de supervisão instalado num posto de controlo e o PLC através de comunicação via rádio. O uso do PLC permitiu a flexibilidade de mudar facilmente a forma como as saídas digitais são usadas, ao contrário de um circuito eletrónico que necessita de uma completa remodelação, tempo de testes e implementação para efetuar a mesma função. O uso de um microcontrolador seria igualmente viável para a aplicação em causa, no entanto o uso do PLC tem a vantagem de ser robusto, mais rápido na velocidade de processamento, existência de software de interface de programação bastante intuitivo e de livre acesso, facilidade de alterar a programação localmente ou remotamente, via rádio, acesso a vários protocolos de comunicação robustos como Modbus, Canbus, Profinet, Modnet, etc., e acesso integrado de uma consola gráfica totalmente programável. iv É ainda possível a sua expansão com adição de módulos de entradas e saídas digitais e/ou analógicas permitindo expandir largamente o uso do AGV para outros fins. A solução está a ser amplamente testada e validada no Laboratório de Automação (LabA) do Departamento de Engenharia Mecânica do ISEP (Instituto Superior de Engenharia do Porto), permitindo a otimização dos sistemas de controlo de direção bem como a interatividade entre o PLC e o programa de interface/supervisão do posto de trabalho.

Pipelined analog-to-digital conversion using current-mode reference shifting

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores