دانلود مقاله یک تقویت کننده CMOS کم توان و کم نویز برای کاربردهای ثبت عصبی
چکیده
دانشمندان و پزشکان نیاز به تقویت کننده های سیگنال حیاتی کم توان و کم نویزی دارند که قادر به تقویت سیگنال ها در محدوده میلی هرتز تا کیلوهرتز باشند و در عین حال آفست DC بزرگ تولید شده در رابط الکترود-بافت را حذف کنند. پیدایش آرایه های میکروالکترود تماما قابل کاشت نیاز به تقویت کننده های میکروتوان (توان در محدوده میکرووات) تماما مجتمع را ایجاد کرده است. ما یک تقویت کننده حیاتی جدید را طراحی و تست کرده ایم که از یک عنصر شبه مقاومت ماسفت-دوقطبی به منظور تقویت سیگنال های فرکانس-پایین کمتر از محدوده میلی هرتز و همچنین برای حذف آفست های DC بزرگ بهره می برد. ما محدوده تئوری مصالحه نویز-توان (ضریب کارایی نویز) را برای این تقویت کننده بدست می آوریم و نشان می دهیم که پیاده سازی VLSI ما با راه اندازی انتخابی ترانزیستورهای MOS در هر یک از نواحی وارونگی ضعیف یا قوی، به این محدوده نزدیک می شود. تقویت کننده حاصل، در یک فرآیند CMOS 1.5 میکرومتر استاندارد ساخته شد و سیگنال های Hz0.025 تا kHz7.2 را عبور می دهد. همچنین دارای نویز ارجاع به ورودی Vrmsµ2.2 و اتلاف توان μW80 است، در حالی که〖mm〗^20.16 از مساحت تراشه را اشغال می کند. روش طراحی ما همچنین برای توسعه یک تقویت کننده الکتروانسفالوگرام استفاده شده بود که دارای پهنای باند Hz30 و اتلاف توان μW0.9 می باشد در حالی که دارای مصالحه نویز-توان مشابهی است.
1. معرفی
تقاضا برای تکنولوژی هایی که دانشمندان علوم اعصاب و پزشکان را قادر به مشاهده فعالیت هم زمان تعداد زیادی نورون در مغز کند، بسیار زیاد است. ثبت های عصبی چندالکترودی در حال تبدیل شدن به یک روش استاندارد در تحقیقات پایه علوم اعصاب است و دانش حاصل از این مطالعات آغازی بر تهیه اپلیکیشن های بالینی و پروتزهای عصبی است. با پیشرفت های اخیر در تکنولوژی MEMS، آرایه های میکروالکترود کوچکی (با ابعاد کمتر از mm4) شامل 100 سایت ثبت، تولید شده است [1] و [2]. سیستم های ثبت عصبی نسل بعدی باید قادر به مشاهده همزمان 100-1000 نورون در یک واحد تماما کاشته شده، باشند.
در حالی که الکترونیک یکپارچه برای تقویت به مقدار کم سیگنال های بیوالکتریک ضعیف توسعه یافته است [3]-[15]، اما معمولا مدارات موجود برای اینکه در مقادیر زیادی کاملا کاشته شوند، دارای مقادیر نویز غیرقابل قبول هستند یا توان بسیار زیادی مصرف می کنند. تقویت کننده های حیاتی قابل کاشت باید توان کمی اتلاف کنند تا بافت های مجاور بر اثر گرما آسیب نبینند. شار حرارتی برابر با mW/cm280 می تواند سبب مردگی بافت عضله شود [16]، بنابراین برای کاشت های بسیار کوچک، اتلاف توان نباید از چند صد میلی وات تجاوز کند، بنابراین برای یک سیستم 1000 الکترودی، حداکثر اتلاف توان در هر تقویت کننده بسیار کم تر از mW1 میباشد و این توان شامل توان مورد نیاز اجزای دیگر نظیر تله متری در سیستم کاشته شده نمی باشد.
5. نتیجه گیری
یک تقویت کننده سیگنال زیستیCMOS تماما مجتمع با توان مصرفی µW80 و نویز ارجاع به ورودی µVrms2.2 در طول پهنای باند kHz7.2 شرح داده شده است. تقویت کننده آفست های DC را که معمولا در اپلیکیشن های ثبت میکروالکترود با آن ها روبرو می شویم، حذف می کند اما سیگنال های فرکانس-پایین در محدوده میلی هرتز را عبور می دهد، در حالی که از هیچ اجزای خارج تراشه ای استفاده نمی کند. با بهره گیری از نسبت g_m/I_D بزرگ برای راه اندازی قطعات در زیرآستانه، ما قادر به دستیابی به بهترین مصالحه توان-نویز گزارش شده در میان تقویت کننده های سیگنال زیستی شدیم. یک تقویت کننده 1000 کانالی تنها mW80 توان مصرف می کند و در یک فرآیند µm1.5، بر روی یک مستطیل سیلیکونی mm13mm×13 (بدون در نظر گرفتن پدها) منطبق می شود، که امکان پیاده سازی سیستم های ثبت عصبی قابل کاشت در مقیاس بزرگ را فراهم می کند. ما همان رویکرد طراحی را به یک اپلیکیشن تقویت کننده EEG اعمال کردیم و یک NEF مشابه در یک پهنای باند و اتلاف توان بسیار کوچک تر، بدست آوردیم.
یک سیستم ثبت چند کانالی کامل همچنین به یک مالتی پلکسر آنالوگ (MUX) و مبدل آنالوگ-به-دیجیتال (ADC) با اتلاف توان میلی وات، احتیاج دارد. برای سیستم های با تعداد کانال زیاد، ممکن است سخت افزار مورد نیاز برای سریال سازی و دیجیتالی کردن داده های سیگنال عصبی، منبع غالب مصرف توان باشد. طراحی MUX و ADC کم توان برای سیستم های ثبت عصبی تمام کاشته شده، ضروری خواهد بود.
کوپلاژ ac فرکانس-پایین فراهم شده توسط عنصر ماسفت-دوقطبی همچنین می تواند کاربردهایی در مدار باند پایه گیرنده های RF تبدیل-مستقیم داشته باشد. ساختار تبدیل-مستقیم برای گیرنده های تماما مجتمع کم توان جذاب است، اما اتصال زیرلایه و عدم تطابق قطعه منجر به آفست های DC بزرگی می شود که ممکن است از سیگنال دریافتی بسیار بزرگ تر باشند [29]. تقویت کننده ارائه شده در این مقاله به پاسخ ac بسیار فرکانس-پایینی دست می یابد، در حالی که آفست های DC بزرگ را کاملا حذف می کند و می تواند در سیستم های تبدیل-مستقیم مجتمع مورد استفاده قرار گیرد.
Abstract
There is a need among scientists and clinicians for low-noise low-power biosignal amplifiers capable of amplifying signals in the millihertz-to-kilohertz range while rejecting large dc offsets generated at the electrode-tissue interface. The advent of fully implantable multielectrode arrays has created the need for fully integrated micropower amplifiers. We designed and tested a novel bioamplifier that uses a MOS-bipolar pseudoresistor element to amplify low-frequency signals down to the millihertz range while rejecting large dc offsets. We derive the theoretical noise-power tradeoff limit - the noise efficiency factor - for this amplifier and demonstrate that our VLSI implementation approaches this limit by selectively operating MOS transistors in either weak or strong inversion. The resulting amplifier, built in a standard 1.5-μm CMOS process, passes signals from 0.025Hz to 7.2 kHz with an input-referred noise of 2.2 μVrms and a power dissipation of 80 μW while consuming 0.16 mm 2 of chip area. Our design technique was also used to develop an electroencephalogram amplifier having a bandwidth of 30 Hz and a power dissipation of 0.9 μW while maintaining a similar noise-power tradeoff.
I. INTRODUCTION
THERE IS a great demand for technologies that enable neuroscientists and clinicians to observe the simultaneous activity of large numbers of neurons in the brain. Multielectrode neural recordings are becoming standard practice in basic neuroscience research, and knowledge gained from these studies is beginning to enable clinical and neuroprosthetic applications. Recent advances in MEMS technology have produced small (less than 4 mm in any dimension) arrays of microelectrodes containing as many as 100 recording sites [1], [2]. Next-generation neural recording systems must be capable of observing 100–1000 neurons simultaneously, in a fully implanted unit.
While integrated electronics have been developed for small-scale amplification of the weak bioelectrical signals [3]–[15], existing circuits typically have unacceptable noise levels or consume too much power to be fully implanted in large quantities. Implantable bioamplifiers must dissipate little power so that surrounding tissues are not damaged by heating. A heat flux of only 80 mW/cm can cause necrosis in muscle tissue [16], so for small chronic implants, power dissipation should not exceed a few hundred milliwatts. For a 1000-electrode system, this results in a maximum power dissipation much less than 1 mW per amplifier, and this does not include power required by other components in the implanted system such as telemetry.
V. CONCLUSION
An 80- W fully integrated CMOS biosignal amplifier with an input-referred noise of 2.2 Vrms over a 7.2-kHz bandwidth has been demonstrated. The amplifier rejects dc offsets commonly encountered in microelectrode recording applications, but passes low-frequency signals in the millihertz range while using no off-chip components. By taking advantage of the high ratio of devices operating in subthreshold, we were able to achieve the best power–noise tradeoff reported among biosignal amplifiers. A 1000-channel amplifier would consume only 80 mW and fit on a 13-mm 13-mm silicon die in a 1.5- m process (pads excluded), allowing for large-scale implantable neural recording systems. We applied the same design approach to an EEG amplifier application and achieved a similar NEF at a much lower bandwidth and power dissipation.
A complete multichannel recording system will also require an analog multiplexer (MUX) and analog-to-digital converter (ADC) with milliwatt power dissipation. For systems with large numbers of channels, the hardware required for serialization and digitizing of neural signal data may become the dominant source of power consumption. Low-power MUX and ADC design will be essential for fully implanted neural recording systems.
The low-frequency ac coupling provided by the MOS-bipolar element may also have applications in the baseband circuitry of direct-conversion RF receivers. The direct-conversion architecture is attractive for low-power fully integrated receivers, but device mismatch and substrate coupling lead to large dc offsets that may be much larger than the received signal [29]. The amplifier presented in this article achieves ultralow-frequency ac response while completely rejecting large dc offsets, and may be of use in integrated direct-conversion systems.
(جهت بزرگ نمایی روی عکس کلیک نمایید)
چکیده
1. معرفی
2. طراحی تقویت کننده عصبی
3. نتایج تجربی
4. طراحی تقویت کننده الکتروانسفالوگرام (EEG)
5. نتیجه گیری
منابع
Abstract
.1 INTRODUCTION
.2 NEURAL AMPLIFIER DESIGN
.3 EXPERIMENTAL RESULTS
.4 ELECTROENCEPHALOGRAM (EEG) AMPLIFIER DESIGN
.5 CONCLUSION
REFERENCES
- اصل مقاله انگلیسی با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه