Universidad de Extremadura     TESIS DOCTORAL     DISEÑO DE CIRCUITOS CMOS DE BAJO CONSUMO PARA APLICACIONES BIOMÉDICAS BASADAS EN TÉCNICAS DE IMPEDANCIA BIOELÉCTRICA Javier Ramos Maganés Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática Conformidad del/los Director/res: Fdo: José Luis Ausín Sánchez Fdo: Juan Francisco Duque Carrillo   2015 Reviewed by Professor Mart Min, Tallinn University of Technology, Estonia Professor Clara-Helena González-Correa, Universidad de Caldas, Colombia Professor Guido Torelli, University of Pavia, Italy "A mi familia y amigos, por todo su cariño, apoyo y comprensión" Agradecimientos "Es de bien nacido ser agradecido", y no puedo más que empezar este documento dando las gracias. Gracias. Gracias en general a todo aquel y todo aquello que se ha cruzado en mi camino durante todo este tiempo que ha durado la elaboración de este trabajo. Todos y todo han participado de la situación que se produce en este momento en el cual se procede a cerrar esta etapa. En primer lugar me gustaría expresar mi más sincero agradecimiento a mis directores de tesis por todos sus consejos y enseñanzas, no solo en el ámbito académico y profesional sino también en el plano personal. Gracias a todos los miembros del departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática, y en particular a Ignacio Brinquete, José María Valverde, Miguel Ángel Domínguez, José Antonio Moreno, Juan Manuel Carrillo y Raquel Pérez-Aloe por poner amablemente sus conocimientos a mi disposición. Gracias a mis compañeros Antonio Lorido y Javier Redondo, por hacer, durante el tiempo que hemos compartido juntos, un poquito más agradable, si es posible, el ambiente de trabajo en investigación. Gracias a la Junta de Extremadura, la cual ha facilitado la realización de este trabajo doctoral poniendo medios a mi disposición para la ejecución y divulgación de las tareas necesarias para la finalización del mismo. Del mismo modo me gustaría agradecer al Ministerio de Economía y Competitividad la ayuda prestada a través del proyecto TEC2010-19019. En lo personal, me gustaría agradecer a mis amigos su interés de corazón por mi trabajo doctoral y por mis estados de ánimo durante la realización del mismo. Tanto vosotros como yo sabemos bien quienes sois y lo que vuestra presencia ha aportado a este trabajo. Para finalizar, gracias a mi familia por su apoyo constante y paciencia sin límites en este camino. Gracias por estar y saber estar a mi lado. "Yo soy yo y mi circunstancia" Ortega y Gasset Outline Outline LIST OF FIGURES....................................................................................................... i LIST OF TABLES. .................................................................................................... vii RESUMEN. .................................................................................................................. ix ABSTRACT. ................................................................................................................ xi Chapter 1. INTRODUCTION. .................................................................................... 1 1.1. MOTIVATION OF THE RESEARCH. ......................................................... 2 1.2. OBJECTIVES OF THE WORK ..................................................................... 6 1.3. ORGANIZATION OF THE THESIS. ............................................................ 8 1.4. REFERENCES. ............................................................................................ 10 Chapter 2. ELECTRICAL BIOIMPEDANCE TECHNOLOGY. ........................ 11 2.1. FUNDAMENTALS OF EBI TECHNOLOGY. ........................................... 12 2.2. EBI MEASURING SYSTEMS .................................................................... 18 2.2.1. Two- and four-electrode electrical bioimpedance measurements. ................ 18 2.2.2. Principle of operation for EBI measurements. .............................................. 23 2.2.3. Monolithic implementations of EBI sensors ................................................. 31 2.2.4. Multichannel bioimpedance measurements .................................................. 37 Outline 2.3. EBI MEDICAL APPLICATIONS: PITFALLS AND NEW PERSPECTIVES ........................................................................................... 40 2.4. REFERENCES. ............................................................................................. 45 Chapter 3. A PLATFORM FOR EBI BIOMEDICAL APPLICATIONS. ........... 51 3.1. CONSIDERATIONS AND REQUIREMENTS OF A HIGH- PERFORMANCE MULTISITE EBI MEASUREMENTS. ......................... 52 3.2. A NOVEL APPROACH FOR MULTICHANNEL EBI MONITORING ............................................................................................. 54 3.2.1. Body sensor networks (BSN). ....................................................................... 54 3.2.2. Sytem description: structure and functionality .............................................. 59 3.2.3. High-performance wireless EBI spectrometer .............................................. 62 3.4. REFERENCES. ............................................................................................. 69 Chapter 4. INSTRUMENTATION AMPLIFIER. .................................................. 71 4.1. SPECIFICATIONS AND DESIGN CONSIDERATIONS .......................... 72 4.2. CIRCUIT DESIGN AND IMPLEMENTATION ......................................... 78 4.3. POST-LAYOUT AND EXPERIMENTAL RESULTS ................................ 83 4.4. REFERENCES. ............................................................................................. 87 Chapter 5. GAIN-PHASE DETECTOR. .................................................................. 91 5.1. SPECIFICATIONS AND DESIGN CONSIDERATIONS .......................... 92 5.2. CIRCUIT DESIGN AND IMPLEMENTATION ....................................... 106 5.3. POST-LAYOUT AND EXPERIMENTAL RESULTS .............................. 113 5.4. REFERENCES. ........................................................................................... 121