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The authors are grateful to Atalaya Mining Company for giving the permission to carry out this research on their facilities and for their active support. Carlos Boente obtained a post-doctoral contract within the program PAIDI 2020 (Ref 707 DOC 01097) and the PY18-2332 Project, co-financed by the Junta de Andalucía (Andalusian Government), Spain and the EU. Funding for open access charge: Universidad de Huelva/CBUA, Spain.

This article aims to describe a system designed to control the movement of mobile robots by blinking eyes. It is based on the use of a Brain Computer Interface and a particular control architecture. The paper addresses the key aspects that allow simplifying usersrobot interaction and proposes a control strategy that facilitates a fast learning of robot handling. In this sense, the main advantage of the approach is the short period of time required for users’ training. The article details a methodology aimed to evaluate this feature, presents experimental results that confirm this fact and also discusses about the influence of interacting with a real or a simulated robot. Particularly, it analyses if a previous training with the virtual robot helps to improve the interaction with the real robot or vice versa.

We present a low-voltage low-power CMOS tunable transconductor exploiting body gain boosting to increase the small-signal output resistance. As a distinctive feature, the proposed scheme allows the OTA transconductance to be tuned via the current biasing the gain-boosting circuit. The proposed transconductor has been designed in a 0.13-µm CMOS technology and powered from a 1.2-V supply. To show a possible application, a 0.5-MHz tunable third order Chebyshev low pass filter suitable for the Ultra Low Power Bluetooth Standard has been designed. The filter simulations show that all the requirements of the chosen standard are met, with good performance in terms of linearity, noise and power consumption.

En los últimos años, el Grupo de Investigación de Tecnología Electrónica de la Universidad de Sevilla, ha desarrollado una línea de investigación en el diseño de circuitos analógicos de baja tensión y bajo consumo para comunicaciones. Esta Tesis pretende ser una contribución a este campo de investigación. En ella s e proponen nuevas celdas analógicas, tanto en tiempo continuo como en tiempo discreto, usando el seguidor de tensión rotado o como una herramienta de diseño de bajo consumo y baja tensión. Los objetivos de este trabajo son: 1. Estudiar el seguidor de tensión rotado. 2. Proponer nuevos circuitos analógicos basados en el seguidor de tensión rotad. 3. Diseñar un transconductor lineal clase AB de baja tensión de alimentación, de muy bajo consumo, gran rango de variabilidad de su transconductancia y con excelente comportamiento en alta frecuencia. 4. Proponer un buffer para testeado analógico con muy baja capacidad de entrada y bajo consumo. 5. Implementar un modulador sigma-delta usando como bloque de diseño transconductores clase AB. 6. Fabricar dos circuitos integrados para demostrar que se puede alcanzar un excelente funcionamiento de los circuitos y sistemas con muy bajo consumo de potencia. Premio Extraordinario de Doctorado US

En la última década, el uso generalizado de sistemas de control y supervisión de procesos ha deparado el desarrollo tecnológico de los sistemas de adquisición de datos. La especial necesidad de encontrar soluciones flexibles, que permitan la instalación sencilla de sensores, evitando complejas redes de cables, ha propiciado que el proceso de adquisición se realice de forma inalámbrica mediante dispositivos alimentados localmente por baterías. El auge de las tecnologías inalámbricas ha sido significativo gracias al ahorro de costes, tanto en lo que a la propia instalación se refiere, como en la posterior revisión y mantenimiento. Esta tesis tiene por objeto el diseño, desarrollo y construcción de dispositivos sensores con características de bajo coste, reducido consumo de potencia y pequeñas dimensiones, garantizando siempre los requisitos exigidos en cada aplicación. Este trabajo atiende de forma práctica, mediante implementaciones reales, el desarrollo de sistemas de sensores completos, es decir, que considera de forma global la integración de sensores, acondicionamiento de señal, procesamiento y monitorización de datos, para la medida de variables de interés. El desarrollo de este planteamiento se ha particularizado en tres ámbitos distintos: médico, doméstico e industrial. En el ámbito médico se desarrolla un nuevo método para detectar la frecuencia respiratoria (la cual está relacionada con diversas enfermedades) empleando tecnologías de detección no invasivas, de bajo coste y altamente sensibles. Ei diseño e implementación del mismo se ha realizado de acuerdo con los principios de detección capacitiva de los osciladores LC, solventando algunos inconvenientes mostrados por las alternativas tecnológicas disponibles actualmente. En los campos doméstico e industrial se implementan dispositivos de detección de humos y de diferentes tipos de gases, respectivamente, Todos ellos tienen en común la optimización del consumo de potencia mediante estrategias hardware y software que garanticen un alto grado de autonomía de los nodos sensores, dada su naturaleza inalámbrica. Los dispositivos incluyen algoritmos de control capaces de evitar falsas alarmas en la detección. Además, están diseñados con reducidas dimensiones, con un enfoque versátil, de forma que puedan ser fácilmente escalables y adaptados a diferentes entornos., In the last decade, the widespread use of systems of control and supervision of processes has led to the technological development of data acquisition systems. The special need to find flexible solutions, which allow the simple installation of sensors, avoiding complex wired networks, has led to the acquisition process being carried out wirelessly by devices powered locally by batteries. The boom in wireless technologies has been significant thanks to cost savings, both in terms of the installation itself and in the subsequent revision and maintenance. This thesis aims at the design, development and construction of sensor devices with low cost characteristics, reduced power consumption and small dimensions, always guaranteeing the requirements demanded in each application. This work deals with a practical way, through real implementations, the development of complete sensor systems, that is, that globally considers the integration of sensors, signal conditioning, processing and data monitoring, for the measurement of variables of interest. The development of this approach has been identified in three different areas: medical, domestic and industrial. In the medical field, a new method is developed to detect the respiratory rate (which is related to various diseases) using non-invasive, low-cost and highly sensitive detection technologies. The design and implementation of the same has been done in accordance with the principles of capacitive detection of LC oscillators, solving some disadvantages shown by the technological alternatives currently available. In the domestic and industrial fields, smoke detection devices and different types of gases are implemented, respectively. All of them have in common the optimization of power consumption through hardware and software strategies that guarantee a high degree of autonomy of the sensor nodes, given their wireless nature. The devices include control algorithms capable of avoiding false detection alarms. In addition, they are designed with small dimensions, with a versatile approach, so that they can be easily scaled and adapted to different environments.

El auge de las comunicaciones inalámbricas ha sido significativo en las últimas décadas propiciando el desarrollo de diferentes estándares y su uso en múltiples aplicaciones, pero por otro lado las comunicaciones cableadas siguen siendo ampliamente utilizadas en determinados sectores. Actualmente, la seguridad y fiabilidad en cualquier sistema de comunicaciones se ha convertido en una prioridad de máximo nivel en todos los ámbitos: consumo, doméstico, industrial, defensa, etc. En esta línea, la presente tesis aborda aspectos de seguridad y fiabilidad en las comunicaciones tanto inalámbricas como cableadas. Para ello, se han elegido tres aplicaciones que permitan estudiar algunas problemáticas en este tipo de comunicaciones y aportar soluciones a las mismas. En una primera línea de trabajo se ha estudiado el estándar IEEE 802.15.4 y se ha propuesto un nuevo mecanismo para resolver el problema relacionado con el elevado tiempo de asociación de nodos móviles, donde sus continuas asociaciones afectan al tiempo de actividad. El procedimiento propuesto permite la transmisión de datos desde un nodo móvil y la recepción de datos desde nodos estáticos con un tiempo de actividad mínimo y una alta fiabilidad de comunicación, reduciendo además el consumo de potencia y la pérdida de datos. Continuando con esta línea, se ha desplegado una red de sensores inalámbricos para detectar fallos en motores facilitando su mantenimiento preventivo. Por un lado, la fiabilidad en la detección se asegura mediante la combinación de varios parámetros (vibraciones, corrientes y temperatura); y por otro lado, el uso del modo balizado con intervalo de tiempo garantizado (GTS) asegura la correcta transmisión de los datos. Teniendo en cuenta que en este tipo de aplicaciones inalámbricas es obligatorio reducir el consumo de potencia, se ha desarrollado una estrategia hardware y software de forma que los nodos alcancen un alto grado de autonomía. En una segunda línea de trabajo se ha considerado una comunicación cableada basada en el protocolo I2C. En este caso, se ha estudiado la vulnerabilidad en la comunicación asociada a la utilización de alta impedancia como uno de los niveles lógicos. Este hecho, que garantiza una mayor escalabilidad en el bus, puede introducir fallos en las comunicaciones, ya sean tanto intencionados como no intencionados. En primer lugar, se ha estudiado el efecto de estos fallos en la trayectoria seguida por un robot móvil, mostrando que dicha trayectoria puede ser alterada. En segundo lugar, se ha desarrollado una estrategia de defensa para identificar este tipo de situaciones y actuar en consecuencia. La estrategia se basa en el uso de un sensor de frecuencia que detecta anomalías en la línea de temporización del bus., The boom in wireless communications has been signlficant in recent decades, promoting the deveiopment of different standards and their use in muitiple applications, but on the other hand, wlred communications are still widely used in certaln sectors. Currentiy, security and reliability in any communications system has become a top priority in al! areas: consumption, domestic, industrial, defense, etc. In this line. this thesis addresses asoects of securitv and rellabilitv in both wireless and wired communications. To do this, three applications have been chosen to study sorne problems in this type of communications and provide solutions to them. In a first line of work the IEEE standard 802.15.4 has been studied anda new mechanism has been proposed to solve the problem related to the high association time of mobile nodes, where their continuous associations affect the activity time. The proposed procedure allows the transmission of data from a mobile node and the receptlon of data from static nodes with a mínimum activity time and high communication reliability, also reducing power consumptlon and data loss. Continuing with this line, a network of wireless sensors has been deployed to detect failures In engines facilitating their preventive maintenance. On the one hand, the reiiability in the detection Is ensured by the comblnation of severa! parameters (vibrations, currents and temperature); and on the other hand, the use of the beacon mode with guaranteed time interval (GTS) ensures the correct transmisslon of the data. Taking into account that in this type of wireless appllcations it is mandatory to reduce the power consumption, a hardware and software strategy has been developed so that the nodes reach a high degree of autonomy. In a second line of work, a wired communication based on the I2C protocol has been considered. In this case, vulnerability in the communication associated with the use of high impedance as one of the logical levels has been studled. Thls fact, whlch guarantees greater scalability on the bus, can introduce failures in communications, whether intentional or unintentional. In the first place, the effect of these failures on the trajectory followed by a mobile robot has been studled, showing that this trajectory can be altered. Second, a defense strategy has been developed to identify these types of situations and act accordingly. The strategy is based on the use of a frequency sensor that detects anomalies in the bus timing line.

En este trabajo de investigación, se han propuesto y aplicado técnicas de incremento de ganancia en diseño analógico para implementar varios sistemas front-end utilizados en aplicaciones de física nuclear para la detección de partículas cargadas mediante detectores semiconductores de silicio. En los últimos años se ha incrementado el número de trabajos relacionados con la integración de estos sistemas front-end en tecnologías CMOS para cubrir ia necesidad de acondicionar y procesar la señal de centenares e incluso miies de canales de los nuevos sistemas de detección. Las ventajas relacionadas con ia alta densidad de integración y el bajo consumo de potencia, debe hacer frente a desafíos de diseño relacionados con la degradación de los parámetros analógicos de ios transistores debido ai escalado de ia tecnología, tales como la pérdida de ganancia intrínseca y el incremento de ruido. La tesis propone soluciones de circuito para incrementar ia ganancia de ios elementos activos que constituyen los bloques constructivos de la parte analógica de un sistema front-end, esto es, amplificadores sensibles a ia carga y conformadores de pulso o shapers, de forma que se asegure su correcto funcionamiento operando en iazo cerrado y usando tecnologías CMOS submicrométricas. Los diseños abordan cuestiones relacionadas con el ruido, consumo de potencia, área de silicio, rango dinámico, precisión, linealidad y velocidad. Todos los sistemas impiementados en esta tesis han sido fabricados usando tecnologías CMOS n-weil de 130 nm y de 90 nm. Los resultados de las medidas experimentales son presentados y analizados en cada caso para validar el funcionamiento del correspondiente diseño., In this research work, gain enhancement techniques for analog design have been proposed and applied to implement several front-end electronics systems used in nuclear physics applications for detection of charged particles through silicon semiconductor detectors. In recent years the number of works related to the integration of these front-end systems in CMOS technologies has increased to meet the need of signal conditioning and processing from hundreds and even thousands of channels of new detection systems. The advantages related to the high density of integration and low power consumption, must face design challenges related to the degradation of the analog parameters of transistors due to the technology scaling-down, such as the low of intrinsic gain and the increase in noise. This thesis proposes circuit solutions to increase the gain of the active elements that constitute the building blocks of the analog part of a front-end system, i.e. charge sensitive amplifiers and shapers, to ensure their proper closed-loop operation and using submicron CMOS technologies. The designs addressed issues related to noise, power consumption, silicon area, dynamic range, precision, linearity and speed. All the systems implemented in this thesis have been fabricated using 130 nm and 90 nm n- well CMOS process technology. The results of experimental measurements are presented and analyzed in each case to validate the operation of the corresponding design.

Tradicionalmente, los sistemas front-end para detectores de partículas en aplicaciones de física nuclear se han realizado mediante bloques analógicos discretos. La interconexión de los mismos dentro de la cadena de instrumentación electrónica permite extraer la información de interés, que en la mayoría de aplicaciones, son la energía de las partículas y el instante de llegada de las mismas. En otros casos, también resulta necesario identificar el tipo de partícula que ha impactado en el sistema de detección. Las nuevas instalaciones de haces radiactivos que se van a construir en Europa en los dos próximas décadas constituyen un desafío para el desarrollo de una nueva generación de sistemas de detección de partículas cuyos esfuerzos deben estar enfocados hacia los sensores semiconductores, la electrónica de acondicionamiento y los sistemas de control. Esta tesis presenta un doble enfoque: por un lado, se centra en desarrollar bloques analógicos discretos claves en sistemas front-end que acondicionan las señales procedentes de detectores semiconductores, y que sean capaces de satisfacer los exigentes requisitos de velocidad, linealidad, resolución y precisión. Por otro lado, en el dominio digital se ha desarrollado una nueva técnica para identificar partículas. En la tesis se propone un nuevo amplificador sensible a la carga que presenta la salida de carga convencional para medir la energía depositada por las partículas en el detector, y también una salida de corriente o temporización que mantiene la forma del pulso, y que se puede utilizar para la identificación de partículas mejorando otros métodos convencionales basados en la medida del tiempo de subida de la señal de carga. El preamplificador ha sido diseñado con reducidas dimensiones y bajo consumo de potencia. En segundo lugar se ha diseñado un shaper unipolar casi-gausiano basado en la utilización de un filtro activo RC con polos complejos. El circuito presenta un nuevo esquema del circuito de restauración de la línea de base de los pulsos, e incorpora un sistema de control remoto de sus principales parámetros de funcionamiento para facilitar la realización de experimentos en tiempo real. Finalmente, dentro de la parte analógica de un sistema front-end, también se ha implementado un discriminador de fracción constante adecuado para medir el tiempo de vuelo de las partículas que inciden en los detectores que alcanza elevadas resoluciones del orden de 500 ps para un amplio rango dinámico. Por otro lado, el desarrollo de las nuevas tecnologías hace atractivo la incorporación de técnicas de procesamiento digital en este campo de investigación permitiendo una simplificación de la electrónica y un mayor grado de flexibilidad. En esta línea, se propone una nueva técnica de identificación de iones mediantes el análisis de la forma de los pulsos utilizando redes neuronales artificiales implementadas en una FPGA. El diseño de dicha red ha sido realizada mediante un modelo configurable VHDL para una mejor adaptación a las características de un experimento en particular. Los diseños de esta tesis están orientados a detectores de silicio que son utilizados en sistemas de detección de partículas cargadas para aplicaciones de espectroscopia., Traditionally, front-end systems for particle detectors in nuclear physics applications were made with discrete analog blocks. The interconnecting of these blocks in the chain of electronic instrumentation allows extracting the relevant information, which in most applications, are the energy of the particles and the time of arrival. In other cases, also it is necessary to identify the type of particle which has impacted on the detection system. The new radioactive beam facilities that will be built in Europe in the next two decades are a challenge for the development of a new generation of particle detection systems and the efforts must be focused on semiconductor sensors, conditioning electronics and control systems. This thesis presents a dual approach: first, it focuses on developing discrete analog blocks for front-end systems that conditioning the signals from semiconductor detectors, and that they are able to meet the demanding requirements of speed, linearity, resolution and accuracy. Furthermore, in the digital domain has been developed a new technique for identifying of particles. The thesis proposes a new charged sensitive amplifier that exhibits the conventional charge output to measure the energy deposited by the particles on the detector, and also a current output or timing output that keeps the pulse shape, and can be used for identification of particles improving conventional methods relying on measuring the rise time of the charge signal. The preamplifier is designed with small size and low power consumption. Secondly we have designed a near-Gaussian unipolar shaper based on the use of an RC active filter with complex poles. The circuit presents a new base line restorer for the pulses and includes a remote control system of the main parameters to facilitate the realization of real-time experiments. Finally, into the analog part of the front-end system, has also implemented a constant fraction discriminator suitable for measuring the flight time of the particles reaching high resolutions on the order of 500 ps for a wide dynamic range. Furthermore, the development of the modern technologies makes attractive the use of digital processing techniques in this field of research allowing a simplification of the electronics and a higher flexibility. In this way, we propose a new identification technique of ions by means of the analysis of the shape of the pulses using artificial neural networks implemented in an FPGA. The design of the network has been performed using a configurable VHDL model for a better adaptation to the characteristics of a particular experiment. The designs of the thesis are focused on silicon detectors that are used in detection systems of charged particles for spectroscopy applications.