Диференціальний підсилювач на основі багаторівневих транзисторів для виявлення медичних сигналів

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347024020043

Ключові слова:

електрокардіограма, ЕКГ, формування сигналу, високий CMRR, PSRR, низька потужність, вхідний шум

Анотація

В роботі представлена схема двокаскадного диференціального підсилювача, яка вдосконалена для використання в реальних системах формування медичних сигналів. В основі схеми лежить технологія CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor). Фільтр низьких частот на основі технології MOS із використанням багаторівневих (stacked) транзисторів використовується для створення диференціального підсилювача, який має низьке споживання, низький рівень шуму та високий коефіцієнт послаблення синфазного сигналу CMRR (common-mode rejection ratio). Це необхідно для формування сигналу електрокардіограми (ЕКГ) за допомогою портативного пристрою. Використання багаторівневих MOS-транзисторів, підключених до вихідного терміналу, використовується для покращення формування сигналу ЕКГ, а також для формування сигналів, отриманих з інших типів біомедичних пристроїв. Конструкція підсилювача, що розглядається в даній роботі, розроблена на основі стандартного 45-нм CMOS-техпроцесу. Підсилювач працює при напрузі живлення 0,85 В. Результати моделювання отримані за допомогою програмного продукту Cadence Analogue Virtuoso Spectre Simulator. Описаний диференціальний підсилювач має CMRR = 140 дБ на частоті 80 Гц, коефіцієнт послаблення джерела живлення PSRR (power supply rejection ratio) 68 дБ, і розсіювану потужність 1,3 мВт. Ці характеристики узгоджуються з результатами моделювання. У той час як максимальна швидкість наростання напруги становить 11 В/с, вхідний шум становить 2,62 мкВ/Гц1/2. На відміну від звичайного диференціального підсилювача зі стандартною схемою, робочі характеристики запропонованого підсилювача є кращими та ефективнішими. Шумові характеристики розробленого диференціального підсилювача у порівнянні з попередніми варіантами покращено завдяки використанню спеціальної конструкції.

Посилання

S. Lerstaveesin, M. Gupta, D. Kang, B.-S. Song, “A 48–860 MHz CMOS low-IF direct-conversion DTV tuner,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 43, no. 9, pp. 2013–2024, 2008, doi: https://doi.org/10.1109/JSSC.2008.2001900.

N. Meena, A. M. Joshi, “New power gated SRAM cell in 90nm CMOS technology with low leakage current and high data stability for sleep mode,” in 2014 IEEE International Conference on Computational Intelligence and Computing Research, 2014, pp. 1–5, doi: https://doi.org/10.1109/ICCIC.2014.7238333.

C.-H. Li, C.-W. Lai, C.-N. Kuo, “A 147 GHz fully differential D-band amplifier design in 65 nm CMOS,” in 2013 Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings (APMC), 2013, pp. 691–693, doi: https://doi.org/10.1109/APMC.2013.6694937.

M. El-Nozahi, A. A. Helmy, E. Sanchez-Sinencio, K. Entesari, “An inductor-less noise-cancelling broadband low noise amplifier with composite transistor pair in 90 nm CMOS technology,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 46, no. 5, pp. 1111–1122, 2011, doi: https://doi.org/10.1109/JSSC.2011.2118310.

P. P. Babu, K. Sindhuja, T. D. Sri Sai Lakshmi, G. Sowmya, D. Akshitha, “Design and evaluation of two stage op-amp for biomedical applications using 90nm CMOS technology,” in 2024 7th International Conference on Devices, Circuits and Systems (ICDCS), 2024, pp. 174–178, doi: https://doi.org/10.1109/ICDCS59278.2024.10560856.

K.-H. Chen, S.-I. Liu, “Inductorless wideband CMOS low-noise amplifiers using noise-canceling technique,” IEEE Trans. Circuits Syst. I Regul. Pap., vol. 59, no. 2, pp. 305–314, 2012, doi: https://doi.org/10.1109/TCSI.2011.2162461.

J. W. Park, B. Razavi, “A harmonic-rejecting CMOS LNA for broadband radios,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 48, no. 4, pp. 1072–1084, 2013, doi: https://doi.org/10.1109/JSSC.2013.2237651.

P. Jain, A. M. Joshi, “Low leakage and high CMRR CMOS differential amplifier for biomedical application,” Analog Integr. Circuits Signal Process., vol. 93, no. 1, pp. 71–85, 2017, doi: https://doi.org/10.1007/s10470-017-1027-y.

N. Van Thienen, P. Reynaert, “A 160-GHz three-stage fully-differential amplifier in 40-nm CMOS,” in 2014 21st IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS), 2014, pp. 144–147, doi: https://doi.org/10.1109/ICECS.2014.7049942.

H.-C. Lee, C.-S. Wang, C.-K. Wang, “A 0.2–2.6 GHz wideband noise-reduction Gm-boosted LNA,” IEEE Microw. Wirel. Components Lett., vol. 22, no. 5, pp. 269–271, 2012, doi: https://doi.org/10.1109/LMWC.2012.2191275.

P. Jain, A. Joshi, “Full-wave bridge rectifier with CMOS pass transistors configuration,” J. Circuits, Syst. Comput., vol. 27, no. 06, p. 1850092, 2018, doi: https://doi.org/10.1142/S0218126618500925.

S. Jin, B. Park, K. Moon, M. Kwon, B. Kim, “Linearization of CMOS cascode power amplifiers through adaptive bias control,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 61, no. 12, pp. 4534–4543, 2013, doi: https://doi.org/10.1109/TMTT.2013.2288206.

K. Sharma, S. Singh, A. Sachdeva, “A low-power low-noise amplifier with high CMRR for wearable healthcare applications,” AEU - Int. J. Electron. Commun., vol. 173, p. 154994, 2024, doi: https://doi.org/10.1016/j.aeue.2023.154994.

S. Jin, M. Kwon, K. Moon, B. Park, B. Kim, “Control of IMD asymmetry of CMOS power amplifier for broadband operation using wideband signal,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 61, no. 10, pp. 3753–3762, 2013, doi: https://doi.org/10.1109/TMTT.2013.2280116.

K. Choi et al., “A highly linear two-stage amplifier integrated circuit using InGaP/GaAs HBT,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 45, no. 10, pp. 2038–2043, 2010, doi: https://doi.org/10.1109/JSSC.2010.2061612.

R. A. Gayakwad, Op-Amps and Linear Integrated Circuits. New Delhi: Prentice-Hall, 2007.

Q. Huang, M. Oberle, “A 0.5-mW passive telemetry IC for biomedical applications,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 33, no. 7, pp. 937–946, 1998, doi: https://doi.org/10.1109/4.701225.

Y. Hu, M. Sawan, “A fully integrated low-power BPSK demodulator for implantable medical devices,” IEEE Trans. Circuits Syst. I Regul. Pap., vol. 52, no. 12, pp. 2552–2562, 2005, doi: https://doi.org/10.1109/TCSI.2005.858163.

J. Lee, G.-H. Lee, H. Kim, S. Cho, “An ultra-high input impedance analog front end using self-calibrated positive feedback,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 53, no. 8, pp. 2252–2262, 2018, doi: https://doi.org/10.1109/JSSC.2018.2831231.

Y. Zhao, Z. Shang, Y. Lian, “A 2.55 NEF 76 dB CMRR DC-coupled fully differential difference amplifier based analog front end for wearable biomedical sensors,” IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst., vol. 13, no. 5, pp. 918–926, 2019, doi: https://doi.org/10.1109/TBCAS.2019.2924416.

S. Masui, E. Ishii, T. Iwawaki, Y. Sugawara, K. Sawada, “A 13.56 MHz CMOS RF identification transponder integrated circuit with a dedicated CPU,” in 1999 IEEE International Solid-State Circuits Conference. Digest of Technical Papers. ISSCC. First Edition (Cat. No.99CH36278), 1999, pp. 162–163, doi: https://doi.org/10.1109/ISSCC.1999.759174.

P. Jain, S. Akashe, “Analysis of ATPMOS configurations-based 4×1 multiplexer with estimation of power and delay,” Int. J. Electron., vol. 101, no. 7, pp. 1006–1018, 2014, doi: https://doi.org/10.1080/00207217.2013.805391.

P. Jain, S. Akashe, “An innovative design: MOS based full-wave centre-tapped rectifier,” Wirel. Pers. Commun., vol. 90, no. 4, pp. 1673–1693, 2016, doi: https://doi.org/10.1007/s11277-016-3417-3.

M. M. Ahmadi, G. A. Jullien, “A wireless-implantable microsystem for continuous blood glucose monitoring,” IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst., vol. 3, no. 3, pp. 169–180, 2009, doi: https://doi.org/10.1109/TBCAS.2009.2016844.

S. Ethier, M. Sawan, “Exponential current pulse generation for efficient very high-impedance multisite stimulation,” IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst., vol. 5, no. 1, pp. 30–38, 2011, doi: https://doi.org/10.1109/TBCAS.2010.2073707.

П. Джеин, Ш. Акеше, “Оптимизация мощности и задержки наноразмерного (4х1)-мультиплексора при использовании схемы удвоителя напряжения на КМОП структурах,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 59, no. 11, pp. 3–18, 2016, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347016110017.

П. Джеин, А. М. Джоши, “Анализ влияния расширенной конфигурации n-МОП транзистора на параметры 4x1 мультиплексора,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 61, no. 3, pp. 163–172, 2018, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347018030044.

P. S. Kumar, V. Ch, S. Thouti, G. P. Kumar, N. Rajeswaran, “High gain more stable self biased two stage differential amplifier for bio-signal processing,” in 2023 9th International Conference on Advanced Computing and Communication Systems (ICACCS), 2023, pp. 1859–1863, doi: https://doi.org/10.1109/ICACCS57279.2023.10112830.

P. Rajeswari, V. Manikandan, “Buck converter current measurement using differential amplifier,” Intell. Autom. Soft Comput., vol. 35, no. 2, pp. 1387–1402, 2023, doi: https://doi.org/10.32604/iasc.2023.025866.

N. Prokopenko, V. Chumakov, M. Sergeenko, “Differential amplifiers and DAC discharging current switches with differentiating transient correction circuits,” in 2023 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF), 2023, pp. 1–4, doi: https://doi.org/10.1109/WECONF57201.2023.10148051.

Принципова схема запропонованого диференціального підсилювача з багаторівневими транзисторами

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-06-26

Як цитувати

Джейн, П., Мішра, В., & Мехта, С. А. (2024). Диференціальний підсилювач на основі багаторівневих транзисторів для виявлення медичних сигналів. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 67(6), 335–346. https://doi.org/10.20535/S0021347024020043

Номер

Том 67 № 6 (2024)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2024 Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка

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.