LDO Voltage Regulator Design for the Power Management of a Wearable Electrochemical Biosensor

I progressi nella scienza dei materiali, nell'elettronica, nella comunicazione wireless e nella biotecnologia hanno spianato la strada all'avvento dei dispositivi indossabili. Questi sistemi portatili sono costituiti da sensori integrati in gadget elettronici quali cerotti, tatuaggi, lenti a contatto intelligenti e braccialetti. Il loro scopo principale è supportare l'assistenza sanitaria domiciliare, riducendo l'onere sul sistema sanitario e facilitando l'intervento precoce per prevenire patologie che vengono tipicamente scoperte quando la malattia si trova in uno stadio avanzato. I dispositivi indossabili rappresentano un settore promettente ed emergente, che consente la misurazione non invasiva di parametri fisiologici che riflettono le condizioni di salute del paziente, senza la necessità di programmare un appuntamento clinico. Inoltre, grazie a questa tecnologia, i medici sono in grado di raccogliere un set di dati più ricco per una diagnosi e un trattamento personalizzati. Dal punto di vista dell'elettronica, il consumo energetico è un aspetto critico, dato che questi sistemi devono operare continuamente per un lungo periodo. Per questo motivo, per il sistema di gestione dell'alimentazione, viene scelto un modulo ASIC (Application Specific Integrated Circuit) rispetto a una controparte per uso generale. Un design su misura consente alte prestazioni senza sprecare risorse poiché, a differenza dell'elettronica Off the Shelf (OTS) che offre un'ampia gamma di applicazioni, esso è ottimizzato per una specifica. Il lavoro di questa tesi si inserisce in un progetto più ampio che mira a sviluppare un biosensore basato sul sudore per il monitoraggio continuo di biomarcatori relativi al benessere delle future mamme. In particolare, questo contributo riguarda la progettazione di un regolatore di tensione che fa parte del sistema di gestione dell'alimentazione del dispositivo. Dopo aver analizzato i requisiti chiave, tra cui il basso consumo energetico, l'area ridotta su silicio e la tensione di uscita stabile, sono state prese in considerazione diverse architetture. La soluzione più adatta è risultata essere un regolatore di tensione Low Dropout (LDO) con un amplificatore di errore a stadio singolo e un beta multiplier per la generazione della corrente e della tensione di riferimento. Il design del circuito e il layout sono stati implementati utilizzando la piattaforma Cadence Virtuoso. Per valutare le prestazioni del regolatore, sono state eseguite analisi DC, AC e transitorie. Il design finale raggiunge una corrente di quiescenza di 16.6 $\mu A$ e occupa un'area di soli 27 $\mu m^2$. Inoltre, il regolatore presenta una tensione di dropout di 200 mV ed è caratterizzato da 8.7 mV/V per la regolazione di linea e 3.7 mV/mA per la regolazione di carico. Queste prestazioni dimostrano che i requisiti sono stati soddisfatti e che il design è adatto all'applicazione prevista.