Eletrónica de Sistemas Biomédicos

Código:

EBE0236

Sigla:

ESB

Áreas Científicas
Classificação	Área Científica
OFICIAL	Engenharia Biomédica

Ocorrência: 2017/2018 - 2S

Ativa?	Sim
Unidade Responsável:	Departamento de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores
Curso/CE Responsável:	Mestrado Integrado em Bioengenharia

Ciclos de Estudo/Cursos

Sigla	Nº de Estudantes	Plano de Estudos	Anos Curriculares	Créditos UCN	Créditos ECTS	Horas de Contacto	Horas Totais
MIB	2	Plano de estudos oficial	4	-	6	56	162

Língua de trabalho

Português - Suitable for English-speaking students

Objetivos

Os estudantes complementarão os conhecimentos no domínio dos dispositivos semicondutores previamente adquiridos com o estudo da física e dos modelos de dispositivos em tecnologia CMOS, assim como serão familiarizados com o processo de fabrico de circuitos integrados, de modo a melhor conhecerem as potencialidades e limitações das tecnologias com que um engenheiro tem de lidar no projeto de microssistemas eletrónicos implantáveis. Após o estudo mais aprofundado das técnicas de realimentação e de análise e compensação de frequência, feito no contexto do estudo de células fundamentais de circuitos analógicos e mistos, os estudantes adquirem os conhecimentos e as competências essenciais para analisarem e projetarem circuitos de captura e condicionamento de sinal e de geração de estímulos em microssistemas biomédicos implantáveis.

Resultados de aprendizagem e competências

Tendo os estudantes adquirido previamente conhecimentos básicos em circuitos analógicos e digitais e adquirido experiência na aquisição e processamento de sinais fisiológicos usando instrumentação e ferramentas computacionais dedicadas, os conteúdos desta unidade curricular permitem completar o conhecimento no âmbito do projeto de circuitos eletrónicos de amplificação e processamento de sinais. Sendo o tratamento destes conteúdos feito ao nível do transístor e sendo estudados o processo de fabrico e de desenho topográfico (nas aulas laboratoriais) de circuitos MOS, são reunidas as condições para que o estudante possa assumir o projeto e a caracterização de microssistemas biomédicos a um nível mais avançado.

Modo de trabalho

Presencial

Pré-requisitos (conhecimentos prévios) e co-requisitos (conhecimentos simultâneos)

Conhecimentos de análise de circuitos, teoria do sinal e dos sistemas. Análise de circuitos com transístores bipolares e MOS. Frequência de Sinais e Eletrónica e de Instrumentação Biomédica.

Programa

- Revisão de conceitos de física do estado sólido e dos modelos para baixas e altas frequências de dispositivos semicondutores: díodo de junção PN; LEDs e díodos laser; transístor de efeito de campo em tecnologia MOS.

- Revisão de conceitos de realimentação, resposta em frequência e estabilidade de amplificadores: propriedades gerais dos circuitos realimentados; classificação de circuitos realimentados; características de desempenho de circuitos com amostragem e comparação em tensão e em corrente; circuitos com realimentação positiva; análise da resposta em frequência de circuitos amplificadores de andar simples e multi-andar; análise da estabilidade de amplificadores e compensação da resposta em frequência. Análise de ruído em amplificadores.

- Outras células fundamentais de circuitos analógicos e mistos: interruptor, fontes e espelhos de corrente, referências de tensão, comparadores, multiplicadores, circuitos Gm-C.

- Amplificadores sintonizados: análise de amplificadores com carga LC; topologias de amplificadores sintonizados.

- Circuitos osciladores: princípios fundamentais dos circuitos osciladores harmónicos; topologias de circuitos osciladores; circuitos multivibradores: monoestáveis, biestáveis, e astáveis.

- Modulação e desmodulação de sinais bioelétricos: modulação de um portadora sinusoidal no domínio das frequências; modulação e desmodulação de portadoras sinusoidais; modulação e desmodulação de portadores digitais; modulação e deteção em fase e em frequência. Amplificador lock-in.

- Casos de estudo: por exemplo, circuitos MOS de baixo consumo para captura de sinais vitais; implantes para estimulação nervosa; circuitos neuromórficos – implementação de funções neuronais, aplicações de eletrónica neuromórfica e sistemas biomiméticos; implantes cocleares, circuitos de estimuladores cardíacos, alimentação sem fios de implantes eletrónicos.

Bibliografia Obrigatória

Baker R. Jacob; CMOS circuit design, layout, and simulation. ISBN: 0-7803-3416-7
Northrop, R. B. ; Analysis and application of analog electronic circuits to biomedical instrumentation., CRC Press, 2003. ISBN: 978-1439866696

Bibliografia Complementar

Iniewski Krzysztof 340; VLSI circuits for biomedical applications. ISBN: 978-1-59693-317-0

Métodos de ensino e atividades de aprendizagem

A metodologia a seguir é a de complementar o estudo teórico com a abordagem laboratorial de modo a completar o ciclo especificação, projeto e análise funcional, desenho físico e otimização dos circuitos. Nas aulas teóricas é apresentada a matéria com referência aos elementos de estudo adotados. São ainda analisados exemplos e resolvidos problemas. Nas aulas laboratoriais serão efetuados trabalhos de bancada envolvendo simulação, fazendo uso de ferramentas CAD, e experimentação. Os primeiros trabalhos serão de caráter tutorial de modo a promover a aprendizagem dos tópicos lecionados, sendo adotada progressivamente uma abordagem que apele à capacidade de projeto autónomo por parte do estudante. O trabalho final será de projeto de um circuito a partir de um conjunto de especificações que contemplam requisitos comuns em microssistemas biomédicos.

As aulas teóricas serão dedicadas à exposição dos diversos conteúdos procurando em cada tópico relacionar os circuitos eletrónicos tratados com as suas versões e características no campo específico dos sistemas biomédicos. Nas aulas finais dedicadas ao estudo de casos particulares, cada grupo terá a seu cargo a preparação do estudo e apresentação na aula do caso que lhe for atribuído.

Os trabalhos laboratoriais serão realizados por grupos de dois estudantes de forma a estimular a cooperação no estudo, análise e realização em equipa. Os trabalhos são desenhados de modo a que a apresentação dos diferentes tópicos nas aulas teóricas seja complementada com a simulação e verificação experimental. Para cada trabalho deverá ser escrito um pequeno relatório onde se responda às questões levantadas e onde se apresente a análise crítica dos resultados obtidos.

No trabalho final de projeto cada grupo terá de recorrer a uma revisão de literatura de modo a obter a melhor solução para satisfazer as especificações do problema apresentado e terá de preparar, para além do relatório, a apresentação oral a ser feita em sessão dedicada, de todo o trabalho realizado e dos resultados obtidos.

 

Tipo de avaliação

Avaliação distribuída com exame final

Componentes de Avaliação

Designação	Peso (%)
Exame	40,00
Participação presencial	36,00
Trabalho laboratorial	24,00
Total:	100,00

Componentes de Ocupação

Designação	Tempo (Horas)
Estudo autónomo	70,00
Frequência das aulas	70,00
Trabalho laboratorial	56,00
Total:	196,00

Obtenção de frequência

A componente de avaliação contínua baseia-se no contacto individual com os estudantes nas aulas laboratoriais e na avaliação dos trabalhos práticos realizados. A média ponderada da componente laboratorial está limitada inferiormente a 8,0/20 valores como condição para a obtenção de frequência, estando automaticamente vedado o acesso ao exame final se tal objetivo não for cumprido. As aulas laboratoriais são de frequência obrigatória estando sujeita à legislação no que toca ao número máximo de faltas admissível.
Todos os alunos estão sujeitos a este procedimento, incluindo aqueles com estatuto especial (TE, DA,…). Situações de incompatibilidade serão analisadas e, caso se justifique, serão equacionadas soluções que minimizem a perturbação do processo aqui descrito.

Fórmula de cálculo da classificação final

Nota Final = 60% *Componente Frequência + 40% *Exame, com a condição de a nota de Exame ser igual ou superior a 8,0 valores, e a Nota Final ser igual ou superior a 9,5 valores.

A avaliação distribuída compreende as avaliações da atitude pessoal na realização dos trabalhos práticos (20%), a dos resultados e relatórios apresentados (60%), e a da apresentação do projeto final (20%).

Os estudantres que tenham obtido 8 ou mais valores na componente Frequência em anos anteriores, podem manter essa avaliação sem necessitar de frequentar as aulas práticas. A nota final é calculada como indicado no ponto anterior.

Provas e trabalhos especiais

Todos os alunos deverão cumprir, na íntegra e objetivamente, todos os requisitos da avaliação, não estando previstos, à priori, outros critérios para situações extraordinárias. No entanto, a surgirem, serão objeto de análise pontual.

Trabalho de estágio/projeto

Realização de um pequeno trabalho de projeto no último terço do período letivo.

Avaliação especial (TE, DA, ...)

Todos os alunos deverão cumprir, na íntegra e objetivamente, todos os requisitos da avaliação, não estando previstos, à priori, outros critérios para situações extraordinárias. No entanto, a surgirem, serão objeto de análise pontual.

Melhoria de classificação

1. Classificação final: exame.
2. Classificação distribuída (em ano seguinte): a avaliar individualmente atendendo às componentes já realizadas.