STUDIO E PROGETTO DI UN AMPLIFICATORE IN TRANSIMPEDENZA NEI SISTEMI DI MONITORAGGIO DI SPO2

Cardiovascular and respiratory diseases still represent some of the leading causes of mortality both globally and nationally, despite advances in medicine and improvements in living conditions. In this context, continuous and non-invasive monitoring of vital signs plays a crucial role in prevention, early diagnosis, and timely management of critical conditions. Among these parameters, blood oxygen saturation (SpO₂) stands out as a key indicator of the body's oxygenation status and, consequently, of the efficiency of the respiratory and circulatory systems. Pulse oximetry, the reference technology for measuring SpO₂, is based on the selective absorption of light by different forms of hemoglobin. However, the accuracy and reliability of the acquired data strongly depend on the quality of the electrical signal generated by the optical sensor and subsequently processed by the electronic system. With this in mind, this thesis aims to study and design an optimized transimpedance amplifier (TIA), capable of improving the conversion of the weak current signal generated by the photodiode into a clean and amplified voltage signal, suitable for digital processing. Following a detailed analysis of the physiological mechanisms of oxygenation and the operating principles of pulse oximetry, the discussion focuses on the design of the opto-electronic system, with particular emphasis on the selection and characterization of active components such as LEDs and photodiodes, as well as on the comparison between different TIA configurations. The validation of the proposed circuit was carried out through simulations using TINA-TI software, varying key parameters such as feedback resistance and capacitance, in order to optimize its frequency response and stability. The results obtained demonstrate the potential to significantly improve the quality of the acquired signal, thus enhancing the reliability of SpO₂ measurements, especially in edge conditions or in the presence of physiological noise. The final considerations also pave the way for future applications in the field of wearable devices and integrated telemedicine systems.

Le malattie cardiovascolari e respiratorie rappresentano ancora oggi tra le principali cause di mortalità a livello globale e nazionale, nonostante i progressi della medicina e il miglioramento delle condizioni di vita. In questo contesto, il monitoraggio continuo e non invasivo dei parametri vitali gioca un ruolo cruciale nella prevenzione, nella diagnosi precoce e nella gestione tempestiva delle condizioni critiche. Tra questi parametri, la saturazione dell’ossigeno nel sangue (SpO₂) si configura come un indicatore fondamentale dello stato di ossigenazione dell’organismo e, quindi, dell’efficienza della funzione respiratoria e circolatoria.
La pulsossimetria, tecnologia di riferimento per la misura della SpO₂, si basa sull’assorbimento selettivo della luce da parte delle diverse forme di emoglobina. Tuttavia, l’accuratezza e l’affidabilità del dato acquisito dipendono fortemente dalla qualità del segnale elettrico generato dal sensore ottico e successivamente elaborato dal sistema elettronico. In tale ottica, questa tesi si propone di studiare e progettare un amplificatore in transimpedenza (TIA) ottimizzato, capace di migliorare la conversione del debole segnale di corrente generato dal fotodiodo in un segnale di tensione amplificato e pulito, idoneo per l’elaborazione digitale.
Dopo un’analisi dettagliata dei meccanismi fisiologici dell’ossigenazione e dei principi di funzionamento della pulsossimetria, la trattazione si concentra sulla progettazione del sistema opto-elettronico, con particolare enfasi sulla selezione e caratterizzazione dei componenti attivi, come i LED e i fotodiodi, nonché sul confronto tra diverse configurazioni di TIA. La validazione del circuito progettato è stata effettuata tramite simulazioni nel software TINA-TI, variando parametri chiave come la resistenza e la capacità di retroazione, al fine di ottimizzarne la risposta in frequenza e la stabilità.
I risultati ottenuti mostrano la possibilità di migliorare significativamente la qualità del segnale acquisito, contribuendo a rendere più affidabile la misura della SpO₂, soprattutto in condizioni limite o in presenza di rumore fisiologico. Le considerazioni finali aprono inoltre a futuri sviluppi applicativi nel campo dei dispositivi indossabili e dei sistemi integrati di telemedicina.