Нейронный входной подпороговый КМОП-усилитель сверхмалой мощности с высоким входным импедансом

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347019030051

Ключові слова:

входной усилитель, подпороговый, двойная МОП структура, ток утечки, входной импеданс

Анотація

В статье предложен входной усилитель (ВУ) сверхмалой мощности с управлением по напряжению, который предназначен для нейронных применений и отличается подпороговой (subthreshold) конструкцией. За последние несколько десятилетий этой теме посвящено много исследовательских работ в области вживляемых медицинских протезов, ориентированных на контроль и лечение неврологических расстройств, таких как слуховые дисфункции и нарушения функции зрения, эпилепсия, болезнь Паркинсона, паралич. ВУ выполняет важную функцию по обнаружению сигнала в системах неврологического мониторинга для обеспечения точности воспроизведения биосигналов. Согласованная схема на базе двойной МОП структуры с обратной связью используется для компенсации входных токов утечки, генерируемых малошумящим усилителем, выполненным в виде интегральной схемы, что является главной причиной очень большой потери сигнала в цепи смещения на входе. Эта топология с замкнутым контуром обеспечивает поддержание высокого импеданса ВУ в широком диапазоне частот входного сигнала. Предлагаемый ВУ выполнен при использовании 0,18 мкм КМОП-технологии компании SK Hynix. Этот ВУ потребляет мощность 320 нВт при занимаемой площади 0,016 мм2 и достигает значения входного импеданса 44,9 ГОм при уровне шума 153 нВ/Гц1/2, приведенного ко входу.

Посилання

Rajabpour-Moghaddam, K.; Mohammadi, A. “A wireless multi-channel implantable neural recording microsystem based on optimized analog TDM-FDM combination,” AEU - Int. J. Electron. Commun., Vol. 77, p. 130-138, 2017. DOI: https://doi.org/10.1016/j.aeue.2017.04.011.

Sung, Y.-S.; Chen, W.-M.; Wu, C.-Y. “The design of 8-channel CMOS area-efficient low-power current-mode analog front-end amplifier for EEG signal recording,” Proc. of IEEE Int. Symp. on Circuits and Systems, 22-25 May 2016, Montreal, Canada. IEEE, 2016, p. 530-533. DOI: https://doi.org/10.1109/ISCAS.2016.7527294.

Zhou, Z.; Warr, P. A. “Back-gate current neutralisation feedback loop for high-input impedance neural FEAs,” Electron. Lett., Vol. 52, No. 19, p. 1586-1588, 2016. DOI: https://doi.org/10.1049/el.2016.2178.

Zhang, F.; Holleman, J.; Otis, B. P. “Design of ultra-low power biopotential amplifiers for biosignal acquisition applications,” IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst., Vol. 6, No. 4, p. 344-355, 2012. DOI: https://doi.org/10.1109/TBCAS.2011.2177089.

Barsakcioglu, D. Y.; Liu, Yan; Bhunjun, P.; Navajas, J.; Eftekhar, A.; Jackson, A.; Quiroga, R. Q.; Constandinou, T. G. “An analogue front-end model for developing neural spike sorting systems,” IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst., Vol. 8, No. 2, p. 216-227, 2014. DOI: https://doi.org/10.1109/TBCAS.2014.2313087.

Борисов, С. А.; Коротков, А. С. “Методика построения высокочастотной малосигнальной модели МОП-транзистора,” Известия вузов. Радиоэлектроника, Т. 53, № 7, С. 21–30, 2010. URI: http://radio.kpi.ua/article/view/S0021347010070034.

Demosthenous, A.; Pachnis, I.; Jiang, D.; Donaldson, N. “An integrated amplifier with passive neutralization of myoelectric interference from neural recording tripoles,” IEEE Sens. J., Vol. 13, No. 9, p. 3236-3248, 2013. DOI: https://doi.org/10.1109/JSEN.2013.2271477.

Mohseni, P.; Najafi, K. “A fully integrated neural recording amplifier with DC input stabilization,” IEEE Trans. Biomed. Eng., Vol. 51, No. 5, p. 832-837, 2004. DOI: https://doi.org/10.1109/TBME.2004.824126.

Harrison, R. R.; Charles, C. “A low-power low-noise CMOS amplifier for neural recording applications,” IEEE J. Solid-State Circuits, Vol. 38, No. 6, p. 958-965, 2003. DOI: https://doi.org/10.1109/JSSC.2003.811979.

Ferrari, G.; Farina, M.; Guagliardo, F.; Carminati, M.; Sampietro, M. “Ultra-low-noise CMOS current preamplifier from DC to 1 MHz,” Electron. Lett., Vol. 45, No. 25, p. 1278-1280, 2009. DOI: https://doi.org/10.1049/el.2009.2353.

Magnelli, L.; Amoroso, F. A.; Crupi, F.; Cappuccino, G.; Iannaccone, G. “Design of a 75-nW, 0.5-V subthreshold complementary metal-oxide-semiconductor operational amplifier,” Int. J. Circuit Theory Appl., Vol. 42, No. 9, p. 967-977, 2014. DOI: https://doi.org/10.1002/cta.1898.

Nevalainen, T.; Koivisto, T.; Pankaala, M. “Subthreshold nano-watt front-end amplifier for wireless ECG applications,” Proc. of 32nd NORCHIP Conf. Nord Microelectron. Event, 27-28 Oct. 2014, Tampere, Finland. IEEE, 2015, p. 1-4. DOI: https://doi.org/10.1109/NORCHIP.2014.7004713.

Zhou, Z.; Warr, P. A. “A high input impedance low noise integrated front-end amplifier for neural monitoring,” IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst., Vol. 10, No. 6, p. 1-8, 2016. DOI: https://doi.org/10.1109/TBCAS.2016.2525810.

Wu, C.-Y.; Chen, W.-M.; Kuo, L.-T. “A CMOS power-efficient low-noise current-mode front-end amplifier for neural signal recording,” IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst., Vol. 7, No. 2, p. 107-114, 2013. DOI: https://doi.org/10.1109/TBCAS.2013.2256422.

Shulyzki, R.; Abdelhalim, K.; Bagheri, A.; Salam, M. T.; Florez, C. M.; Velazquez, J. L. P.; Carlen, P. L.; Genov, R. “320-channel active probe for high-resolution neuromonitoring and responsive neurostimulation,” IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst., Vol. 9, No. 1, p. 34-49, 2015. DOI: https://doi.org/10.1109/TBCAS.2014.2312552.

Abdi, A.; Cha, H.-K. “A bidirectional neural interface CMOS analog front-end IC with embedded isolation switch for implantable devices,” Microelectronics J., Vol. 58, p. 70-75, 2016. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mejo.2016.10.013.

##submission.downloads##

Опубліковано

2019-03-30

Як цитувати

Хан, С. Р., & Надим, И. (2019). Нейронный входной подпороговый КМОП-усилитель сверхмалой мощности с высоким входным импедансом. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 62(3), 167–176. https://doi.org/10.20535/S0021347019030051

Номер

Том 62 № 3 (2019)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2019 Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.