21636

21636

طراحي و شبيه‌سازي يك بخش جلويي ثبت سيگنال عصبي كم‌نويز و كم‌توان با ملاحظات سازگاري الكترومغناطيسي

دكتري

الكترونيك

93-98

1398/04/18

دكتر اديب ابريشمي فر

دكتر عباس عرفانيان اميدوار

برق

در سال‌هاي اخير با گسترش علوم ميكروالكترونيك، تراشه‌هاي قابل كاشت در بدن نقش مهمي در پزشكي ايفا مي‌كنند. در اين بين ريزسيستم‌هاي ثبت سيگنال‌ عصبي داراي اهميت ويژه‌اي براي شناخت فعاليت‌هاي مغزي و كمك به توسعه الگوريتم‌هاي مختلف براي مقابله با بيماري‌هاي عصبي مي‌باشند. گام نخست براي طراحي يك ريزسيستم ثبت سيگنال عصبي طراحي بخش جلويي دريافت سيگنال آن است كه مورد توجه اين رساله دكتري مي‌باشد. بخش جلويي دريافت سيگنال عصبي شامل بخش‌هايي نظير حس‌گر سيگنال عصبي، تسهيم‌كننده زماني و مبدل آنالوگ به ديجيتال مي‌باشد. واحد حس‌گر سيگنال عصبي يكي از مهم‌ترين واحد‌هاي ريزسيستم‌هاي ثبت سيگنال عصبي محسوب مي‌شود. در اين ريزسيستم‌ها الكترودها سيگنال‌هاي ضعيفي را توليد مي‌كنند كه براي انجام پردازش‌هاي بعدي نياز به تقويت، فيلتر و بافركردن آن‌ها مي‌باشد. براي پياده‌سازي طبقه تقويت‌كننده از ساختار كلي حلقه بسته با فيدبك خازني استفاده شده است. هم‌چنين با توجه به سازش مناسب ميان توان مصرفي و نويز در OTAهاي با ساختار استفاده مجدد از جريان، اين ساختارها به عنوان هسته اصلي تقويت‌كننده عصبي پيشنهادي مورد استفاده قرار گرفته‌اند. با وجود مزاياي متعدد OTAهاي با ساختار استفاده مجدد از جريان، اين ساختارها مشابه هر ساختار كلاس A ديگر، بازدهي توان محدودي دارند. در اين رساله دكتري با استفاده از روشي ابتكاري بر مبناي گرايش تطبيقي زوج ترانزيستورهاي ورودي ضمن حفظ ويژگي‌هاي خوب ساختارهاي با استفاده مجدد از جريان، محدوديت‌هاي آن به ميزان قابل ملاحظه‌اي برطرف شده است. يكي ديگر از اجزاي مهم بخش جلويي ثبت سيگنال عصبي، واحد تسهيم‌كننده است كه طراحي مناسب آن يكي ديگر از اهداف اين رساله دكتري مي‌باشد. نخستين موضوع مهم در طراحي يك تسهيم‌كننده زماني مناسب، عملكرد سوئيچ‌هاي آنالوگ داخل آن مي‌باشد. تزريق بار كانال و نفوذ كلاك مهم‌ترين خطاهاي ناشي از سوئيچ‌ها مي‌باشند كه بايد در طراحي سوئيچ‌هاي MOS آنالوگ در نظر گرفته شوند. اين خطاهاي ناشي از سوئيچ با استفاده از روشي ابتكاري در سوئيچ پيشنهادي به طور قابل ملاحظه‌اي كاهش داده شده است. از ديگر اهداف اين پيشنهاد رساله دكتري طراحي يك ADC كم توان با مشخصات مناسب كاربردهاي عصبي مي‌باشد. در بين ساختارهاي مختلف ADC، مبدل‌هاي SAR از نظر تعداد بيت‌هاي موثر و پهناي‌باند مناسب كار با سيگنال‌هاي عصبي مي‌باشند. هم‌چنين مبدل‌هاي SAR به دليل اين‌كه داراي حداقل مدارهاي آنالوگ مي‌باشند، مناسب كاربردهاي كم‌توان و با سطح مصرفي كوچك هستند. در مبدل‌هاي SAR سنتي از الگوريتم جستجوي باينري براي به‌هنگام كردن تقريب ولتاژ ورودي بر اساس ولتاژ خروجي مقايسه‌كننده مورد استفاده قرار مي‌گيرد. اين در حالي است كه در مبدل‌هاي LSB-first اصلاحاتي در اين الگوريتم انجام شده است تا توان مصرفي ساختار به‌طور قابل ملاحظه‌اي كاهش يابد. در واقع در اين الگوريتم به جاي طي يك فرايند ثابت براي همه ورودي‌ها، حدس‌هاي اوليه هر كد را بر اساس كد استخراج شده قبلي قرار مي‌دهد و با توجه به اين‌كه در كاربردهاي عصبي به علت ماهيت فركانس پايين آن‌ها تغييرات دو كد متوالي چندان چشم‌گير نمي‌باشد، تعداد چرخه‌هاي كم‌تري براي استخراج كد جديد طي خواهد شد. به همين دليل اساس ADC پيشنهادي در اين رساله بر مبناي روش LSB-first بوده است. در نهايت نكته ديگري كه در طراحي سيستم‌هاي عصبي بايد درنظر گرفته شود ملاحظات سازگاري الكترومغناطيسي مي‌باشد. راه‌كارهاي كلي كاهش آثار تداخل در مدارهاي آنالوگ را مي‌توان به چهار دسته كلي تقسيم‌بندي نمود: 1) تضعيف سيگنال EMI در ورودي، 2) خطي‌سازي افزاره‌هاي غيرخطي، 3) افزايش پهناي‌باند مدار، 4) جبران تغييرسطح DC ايجاد‌شده. از چهار راه‌كار كلي ارائه شده در مقالات براي كاهش اثر تداخل سه راه‌كار به‌طور هم‌زمان در طرح OTA پيشنهادي به‌كار گرفته شده است و به اين ترتيب ساختار پيشنهادي عملكرد بسيار مناسبي را از اين نظر خواهد داشت. هم‌چنين عملكرد مقاوم در برابر تداخل بدون صرف توان و سطح مصرفي اضافي به‌دست آمده است و عملكرد نويز ساختار نيز تحت تاثير قرار نگرفته است.

1398/10/30

Design and Simulation of a Low-Noise and Low-Power Neural Recording Front-End with EMC Considerations

7/8/2020 12:00:00 AM

In recent years, with the rapid development of microelectronics technology, implantable chips play an important role in medicine. In the meantime, neural signal recording micro-systems are important for understanding brain activity and helping to develop various algorithms for dealing with neurological diseases. These micro-systems have several units, each of which has its own design considerations and challenges. The first step in designing low-power and low-noise neural recording microsystems is to design the front-end section (which is considered as the main part of this dissertation). The front-end section of these microsystems includes several building blocks such as sensory circuits, analog multiplexers, and analog to digital converters. The proper design of each of these stages will have a very important role in overall system performance. The neural sensory unit is one of the most important units of the neural signal recording microsystems. In these microsystems, the electrodes produce weak signals that need to be amplified, filtered, and buffered for further processing. In this work, a capacitive feedback network is used to implement the amplifier stage. Furthermore, due to the good trade-off between power consumption and input-referred noise in current reuse OTAs, these structures have been employed as the core of the proposed neural amplifier. Despite the numerous advantages of current reuse OTAs, these structures (like any other Class A structure) have limited power efficiency. In this doctoral dissertation, the power efficiency problem of the traditional current reuse structure has been substantially eliminated by using an innovative approach based on the adaptive biasing of the input pair (while maintaining the advantages of the current-reuse structures). Another important part of a neural recording front-end is the multiplexer unit, and its proper design is one of the important goals of this doctoral dissertation. The primary issue in designing analog multiplexers is the precise operation of their analog switches. Channel charge injection and clock feedthrough effects are the most important characteristics that must be considered while designing analog MOS switches. These effects have been substantially reduced in the proposed switch by employing an innovative approach. Another objective of this work is to develop a low-power ADC with the required specifications for neural recording applications. Among the various ADC structures, SAR ADCs are suitable to deal with neural signals in terms of the effective number of bits, power consumption, and bandwidth. In traditional SAR ADCs, the binary search algorithm is used to update the input voltage approximation based on the comparator output voltage. However, in LSB-first SAR ADCs, some modifications have been employed to significantly reduce the power consumption of the structure. In this way, the proposed ADC in this work is based on the LSB-first method. Finally, electromagnetic compatibility (EMC) is another issue that should be considered while designing neural recording microsystems. All of the solutions to reduce the effect of the interference on the analog circuits can be divided into four general categories: 1) Attenuating the EMI signal at the input stage, 2) Linearizing the nonlinear devices, 3) Increasing the circuit bandwidth, and 4) Compensating the DC-level. Of the mentioned solutions, the last three items are implemented simultaneously in the proposed OTA structure and therefore the proposed OTA has a very good EMC performance. Also, the interference robustness is achieved without using excessive power and also the noise performance is not affected.