Verilog-A Modelling of Organic Electrochemical Transistors and Read-out Instrumentation
Creators: name: Σιδέρης, Πέτρος Δημητρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2016
Subjects: Μοντελοποίηση
Οργανικά τρανζίστορ
Θόρυβος
OECT
Organic electronics
Noise

description: Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η ανάπτυξη SPICE μοντέλου του Οργανικού Ηλεκτροχημικού τρανζίστορ (OrganicElectrochemicaltransistor) για σχεδιασμό και προσομοίωση κυκλωμάτων. Δύο προσεγγίσεις ακολουθούνται για το σκοπό αυτό, μια βασισμένη στις αναλυτικές εξισώσεις λειτουργίας του και μια βασισμένη σε πολυώνυμα. Με την πολυωνυμική προσέγγιση έγινε εφικτή η περιγραφή της διακύμανσης του πάχους του οργανικού υμενίου (PEDOT:PSS) στις χαρακτηριστικές εξόδου του τρανζίστορ, ενώ το σφάλμα παρέμεινε σε χαμηλά επίπεδα σε όλες τις περιπτώσεις των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων. Το τελικό μοντέλο του Οργανικού Ηλεκτροχημικού τρανζίστορ γράφτηκε στη γλώσσα περιγραφής υλικού Verilog-A. Το μοντέλο εισήχθη στο πρόγραμμα HSPICE και προσομοιωθήκαν κάποια κυκλώματα με αυτό. Επίσης ένα άλλο κομμάτι αυτής της διπλωματικής εργασίας ήταν ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός μετρητικού συστήματος για το Οργανικό Ηλεκτροχημικό τρανζίστορ για βιολογικές εφαρμογές. Το κύριο σημείο του μετρητικού συστήματος είναι η διακριτική ικανότητα πολύ χαμηλών σημάτων στη έκταση των 100nA peaktopeakστον απαγωγό του τρανζίστορ, τα οποία αντιστοιχούν σε 100μV peaktopeak στην πύλη του μέσα σε ένα περιβάλλον θορύβου της τάξης των 2mV peaktopeak. Για να γίνει εφικτό αυτό σχεδιάστηκε μια προ-ενισχυτική τοπολογία που χρησιμοποιεί ένα προσομοιωμένο πηνίο ως έναν μετατροπέα ρεύματος σε τάση και απότομα φίλτρα ώστε να αφαιρεθεί ένα μεγάλο ποσοστό του θορύβου στην είσοδο του τρανζίστορ. Η επιλογή των τελεστικών ενισχυτών στο κύκλωμα έγινε ώστε να έχει το σύστημα την βέλτιστη απόδοση θορύβου και να συνεισφέρει ελάχιστα στο θόρυβο στην έξοδο. Το τελικό κατασκευασμένο PCB κύκλωμα δοκιμάστηκε και επαληθεύτηκε ότι μπορεί όντως να διακρίνει σήματα κάτω από 100nA peaktopeak με εξαιρετική ακρίβεια και καλό SNR.
description: The main subject of this thesis was the development of an Organic Electrochemical transistor SPICE model for circuit implementation. Two approaches were followed in order to deploy this SPICE model for the static behavior, a semi-physical based and a polynomial one. With the polynomial approximation we managed to describe the thickness variation of the OECT organic film (PEDOT:PSS) in output characteristics, while the error between experimental data and simulated was estimated very low for all the occasions of the simulated results. The final model of the OECT was written in the hardware description language Verilog-A. The model was imported in HSPICE and several test circuits were simulated. Part of this thesis was also the design and fabrication of an Organic Electrochemical Transistor measurement system for biological applications. The main aspect of this measurement system was to detect ultra-low signals in the range of 100nA peak to peak from the drain of the transistor, corresponding to 100μV peak to peak at the gate of the transistor within a noise background of 2mV peak to peak present. To do so we designed a pre-amplifier topology that uses a gyrator as a current to voltage conversion and steep filters to take off a large amount of the input noise. The selection of the operational amplifiers we used was made to have optimum noise performance so our system will contribute the least possible noise to the output signal. The final fabricated circuit on PCB was tested and verified that it can detect current signals below 100nA peak to peak with well accuracy and good SNR.