Yüksek doğruluklu tümleşik potansiyostat tasarımı
High accuracy integrated potentiostat design
Yazar: SERDAR TOPRAK
Danışman: DOÇ. DR. REVNA ACAR VURAL ; DR. ÖĞR. ÜYESİ OKAN ZAFER BATUR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik-Haberleşme Eğitimi Ana Bilim Dalı / Elektronik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektrik akımı = Electric current ; Potentiostat = Potentiostat ; Tümleşik devreler = Integrated circuits ; Voltametri = Voltammetry

Özet:
Elektrokimyasal analiz, elektriksel ve kimyasal reaksiyonlar arasındaki ilişkiyi açıklamak için yaygın olarak kullanılmaktadır. Biyomedikal alanında, insan sağlığı ve çevresel izleme gibi konularda insanların farkındalığı zamanla arttığından dolayı elektrokimyasal analizin nicelleştirilmesi elektrokimyasal algılama uygulamalarında önemli bir yere sahiptir.  Bu nedenle elektrokimyasal algılama cihazı olan potansiyostat devre tasarımı burada önemli bir rol oynamaktadır.
Potansiyostat devreler için tamamlayıcı metal-oksit-yarı iletken (CMOS) teknolojisi, düşük güç ve düşük maliyetli devrelerin uygulanmasını sağlar. Yeni entegrasyon teknolojileri, CMOS potansiyostat devre tasarımlarının maliyetini azaltmakta ve uygulama alanlarını genişletmek için gürültüyü azaltmaktadır. Potansiyostat devresinin uygulama alanını genişletmek için geniş dinamik akım aralığına sahip tasarımlar gerçekleştirilmektedir. Bu nedenle geniş dinamik akım aralığına sahip bir potansiyostat tasarımı için düşük gürültüde, yüksek lineerlikte ve doğrulukta akım okuma devre tasarımları önemli bir rol oynamaktadır.
CMOS potansiyostat cihazının algılama sınırılarını geliştirmeye odaklanmış olan bu çalışmada, geniş dinamik akım aralığında algılanan akımın, yüksek lineerlik ve doğrulukta okunmasını sağlayan bir potansiyostat tasarlanmıştır. ± 50 nA ile ± 400 µA arasında geniş bir akım aralığına sahip bir akım taşıyıcı devresi, düşük gürültülü bir akım aynası tabanlı OTA ile yüksek doğruluk ve doğrusal çıkış özellikleri kullanan bir düzenlenmiş akım aynasının birleştirilmesiyle oluşturulur. Ayrıca, devrenin geniş dinamik akım aralığında yüksek kararlılığa sahip olmasını sağlayan kontrol yükselteç devresi tasarlanmıştır. Potansiyostat, ± 0.9 V nominal güç kaynağı ile 0.18 µm TSMC teknolojisinde tasarlanmıştır ve elde edilen sonuçlar simülasyona dayalıdır. Algılanan akım aralığı 112 dB, R2 doğrusallığı 0,9999999993 ve maksimum hata 1.3%'dır. Akım taşıyıcısının entegre referanslı gürültü 0.01 Hz - 1 kHz bant genişliği içinde 0.912 pA'dır. Potansiyostat devresinin statik güç tüketimi 1.993 mW'dir. Kontrol yükselticisi ve akım okuma devresi sırasıyla 1.98 mW ve 13 µW tüketir. Önerilen devre, düşük güç tüketimi ve yüksek doğrusal çıkış özellikleri ile düşük gürültü ve yüksek doğrulukta akım ölçümü sağlama yeteneğine sahiptir.

Abstract:
Electrochemical analysis is widely used to explain the relationship between electrical and chemical reactions. In the biomedical field, quantification of electrochemical analysis has an important place in electrochemical sensing applications, as people's awareness of issues such as human health and environmental monitoring has increased over time. Therefore, the potentiostat circuit design, which is an electrochemical sensing device, plays an important role here.
Complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology for potentiostat circuits enables the application of low-power and low-cost circuits. New integration technologies reduce the cost of CMOS potentiostat circuit designs and reduce noise to expand application areas. In order to expand the application area of the potentiostat circuit, designs with a wide dynamic current range are realized. Therefore, low noise, high linearity and accuracy current readout circuit designs play an important role in designing a potentiostat with a wide dynamic current range.
In this study, which focused on improving the detection limits of the CMOS potentiostat device, a potentiostat was designed that provides high linearity and accuracy reading of the sensing current in a wide dynamic current range. In addition, the control amplifier circuit is designed, which ensures that the circuit has high stability in the wide dynamic current range. A current conveyor circuit with a wide current range from ± 50 nA ile ± 400 µA is constructed by combining a low noise current mirror-based OTA and a regulated current mirror uses high accuracy and linear output characteristics. The potentiostat is designed in 0.18 µm TSMC technology with a nominal power supply of $\pm$ 0.9 V, and the results obtained are based on simulation. The detectable current range is 112 dB with  R2 linearity of 0.999999993 and maximum error of 1.3%. Integrated referred noise of the current conveyor is 0.912 pA within 0.01 Hz - 1 kHz bandwidth. The static power consumption of the potentiostat circuit is 1.993 mW. The control amplifier and the current readout circuit consume 1.98 mW and 13 µW, respectively.  The proposed circuit is capable of providing low noise and high accuracy current measurement with low power consumption and highly linear output characteristics.