17085

17085

طراحي و شبيه سازي بلوك‌هاي داخلي يك ريزسيستم ثبت سيگنال عصبي 8كاناله پردقت قابل كاشت

كارشناسي ارشد

الكترونيك

آبان 1395

دكتر سيد اديب ابريشمي فر

برق

در سال‌هاي اخير با گسترش علوم ميكروالكترونيك، تراشه‌هاي قابل كاشت در بدن نقش مهمي در پزشكي ايفا مي‌كنند. ريزسيستم‌هاي ثبت سيگنال عصبي يكي از مهم‌ترين واحد‌هاي تشكيل دهنده تراشه‌هاي قابل كاشت در بدن هستند. يك سيستم ثبت سيگنال عصبي قابل كاشت در بدن داراي واحدهاي حس‌گر سيگنال عصبي، تسهيم‌كننده زماني، مبدل آنالوگ به ديجيتال و رابط بي‌سيم انتقال داده و توان مي‌باشد. تمركز اصلي اين پايان‌نامه بر روي طراحي و شبيه‌سازي واحد حس‌گر سيگنال عصبي و تسهيم‌كننده زماني است. در ريز سيستم‌هاي ثبت سيگنال عصبي الكترودها سيگنال‌هاي ضعيفي را توليد مي‌كنند كه براي انجام پردازش‌هاي بعدي نياز به تقويت آن‌ها مي‌باشد. همه مدارهاي حس‌گر سيگنال عصبي داراي هر ساختاري كه باشند نياز به يك پيش‌تقويت‌كننده بسيار كم‌نويز و كم‌توان در ورودي خود دارند. به علت دقت بهره، خطينگي خوب، نسبت رد منبع تغذيه و نسبت رد حالت مشترك در اين پايان‌نامه از ساختار حلقه بسته با فيدبك خازني براي طراحي تقويت‌كننده عصبي استفاده شده است. OTAهاي با ساختار استفاده مجدد از جريان به علت توان مصرفي، نويز منتقل شده به ورودي و سطح مصرفي بسيار كم يكي از رايج‌ترين OTAها در طراحي تقويت‌كننده‌هاي عصبي به‌شمار مي‌آيند. با وجود مزاياي متعدد OTAهاي با ساختار استفاده مجدد از جريان با محدوديت‌هايي نظير بازده جرياني كم و كاهش ميزان هدايت انتقالي با افزايش ولتاژ تفاضلي ورودي روبه‌رو هستند. كه در اين پايان‌نامه با استفاده از روشي ابتكاري ضمن حفظ ويژگي‌هاي خوب ساختارهاي با استفاده مجدد از جريان، محدوديت‌هاي آن به ميزان قابل ملاحظه‌اي برطرف شده است. تقويت‌كننده پيشنهادي در فن‌آوري و با استفاده از ولتاژ تغذيه 1.8V طراحي و شبيه‌سازي شده است. ساختار حلقه باز OTA پيشنهادي داراي بهره 63dB و نويز منتقل شده به ورودي با صرف توان مصرفي 270nW مي‌باشد. براي حذف آفست DC ناشي از الكترودها و نيز با توجه به پهناي‌باند و بهره موردنياز تقويت‌كننده عصبي براي تقويت سيگنال‌هاي ورودي كه از نوع جهش مي‌باشند، OTA پيشنهادي در ساختار حلقه بسته با فيدبك خازني مورد استفاده قرار گرفته است. تقويت‌كننده حلقه بسته طراحي شده داراي بهره حدود 40dB، فركانس قطع پايين كم‌تر از 1Hz و فركانس قطع بالاي بيش‌تر از 7kHz مي‌باشد؛ هم‌چنين THD آن در اين بازه و با اعمال ولتاژ تفاضلي ورودي (بيشينه دامنه سيگنال جهش) برابر با 12/0 درصد مي‌باشد. به علاوه،NEF و PEF تقويت‌كننده پيشنهادي به ترتيب برابر با 1.01 و 1.83 مي‌باشند كه مقادير بسيار مطلوبي براي كاربردهاي تقويت‌كننده‌هاي عصبي مي‌باشند. يكي ديگر از اجزاي مهم مدارهاي حس‌گر سيگنال عصبي، واحد تسهيم‌كننده زماني مي‌باشد. تسهيم‌كننده‌هاي زماني از سوييچ‌هاي آنالوگ تشكيل شده‌اند. دقت اين سوئيچ‌ها در اثر عوامل مختلفي نظير تزريق ‌بار كانال، نفوذ كلاك، جريان ‌نشتي حالت خاموش و اعوجاج غيرخطي محدود مي‌شود. در اين پايان‌نامه با معرفي سوئيچي ساده و كوچك با ويژگي‌هاي ايستا و پوياي مناسب آثار خطاهاي تزريق بار كانال و نفوذ كلاك حداقل شده است، به‌علاوه با استفاده از روشي ابتكاري جريان نشتي سوئيچ به ميزان قابل ملاحظه‌اي كاهش داده شده است. سوئيچ پيشنهادي داراي THD برابر -89.8719dB، SNDR برابر 81.0147dB، ENOB برابر 13.1652 و SFDR برابر 98.552dB در فركانس ورودي 1.220703125kHz و فركانس كلاك 62.5kHz با ولتاژ تغذيۀ 1.8Vمي‌باشد. هم‌چنين جريان نشتي اين سوئيچ در بازۀ وسيعي از تغييرات ورودي ‌(از 2/0 الي 8/1 ولت) بسيار ناچيز و در بدترين شرايط كم‌تر از مي‌باشد. سوئيچ طراحي شده داراي ساختاري بسيار ساده و كوچك مي‌باشد و در فركانس‌هاي كم و زياد كاركردي مناسب دارد. اين امر سوئيچ پيشنهادي را براي استفاده در تسهيم‌كننده‌هاي زماني ثبت سيگنال عصبي بسيار جذاب مي‌كند.

1396/01/20

11/16/2017 12:00:00 AM

Rapid development of microelectronics during the past years allowed the emergence of high-performance implantable biomedical microsystems (IBMs). Neural recording microsystems are the most important parts of implantable biomedical devices. A neural recording microsystem is consists of neural sensory circuit, multiplexer, analog to digital converter an​d wireless power an​d data telemetry stages. In this thesis the concentration is on designing an​d simulating neural sensory circuit an​d multiplexer blocks to be used in neural recording microsystems. Weak neural signals must be amplified before can be processed further. The low noise an​d low power amplifier is the main building blocks of the neural sensory circuits. In this thesis, the closed loop capacitive feedback structure is used to design neural amplifier, in order to provide sufficient gain, excellent linearity an​d high common mode an​d power supply rejection ratios. One of the most common OTAs for designing neural amplifiers is current reuse OTA, due to its low power consumption, input referred noise an​d area. However, it suffers from a few restrictions such as low current efficiency an​d reduction of the transconductance by increasing the input differential voltage. Thus in this thesis, these restrictions have been overcome by applying some modifications while maintaining the proper features of this structure. The proposed amplifier is designed an​d simulated in 180nm CMOS standard technology with a 1.8V supply voltage. The proposed OTA in open loop configuration has a gain of 63dB, input referred noise of an​d total power consumption of 270nW. To achieve the desired frequency range of the spike signals an​d also to cancelling DC offset of the electrodes, this OTA is designed an​d simulated in the closed loop capacitive feedback structure. In this case, the closed loop amplifier yielded a midband gain of about 40dB an​d 3-dB bandwidth from lower than 1Hz to 7kHz; also applying the input differential voltage of results in THD less than 0.12% at this frequency range. Furthermore, NEF an​d PEF of the proposed neural amplifier are respectively 1.01 an​d 1.83. The multiplexer stage is the other important parts of sensory circuits. Multiplexers are formed by analog switches. The accuracy of these switches is limited by various factors such as charge injection, clock feedthrough, off-state leakage current an​d nonlinear distortion. In this thesis, a small an​d simple switch with minimized charge injection an​d clock feedthrough errors is presented. Moreover, off-state leakage current of this switch is reduced significantly by an innovative method. Simulation results show that the proposed switch achieves signal to noise an​d distortion ratio (SNDR) of 81.04dB, effective number of bits (ENOB) of 13.16, total harmonic distortion (THD) of -89.87dB an​d spurious-free dynamic range (SFDR) of 98.55dB for a 1.220703125kHz sinusoidal input of 1.8V peak-to-peak amplitude at 62.5kHz sampling rate with a 1.8 supply voltage. Also, its leakage is negligible for input variations from 0.2V to 1.2V; at the worst condition it is less than 60fA. As a result, the proposed switch can significantly improve the dynamic an​d static performances of a sampled-data system.