應用於電生理記錄之低功率可調增益CMOS  放大器晶片設計

Low-Power Gain-Tunable CMOS Amplifier Design for

Neural Recording System

 

 

國立交通大學電機與控制工程所

 

研究生:謝宗哲

指導教授:林進燈 教授

 

 

中文摘要

       神經科學家與臨床醫師對於觀察腦部數以千億計神經元的同步活動反應有非常重要的需求,多頻道神經元記錄電極是基礎神經科學研究對於獲取臨床和神經元應用的重要發展。近來由於微機電技術的快速進步,侵入式神經元記錄電極可觀察到更多的神經元同步的反應,因此對於低功率生醫放大器發展的需求大增。本論文設計一個低功率可調變增益電生理放大器,具有三種工作模式,可依實驗情況調整。本研究之低功率生醫放大器使用miller的概念來實現電生理頻寬的需求,可大量降低因為神經元訊號處於低頻造成被動元件過大而非常困難整合成積體電路的問體,並且可去除因為電極產生的極大DC offset (1-2V)。此晶片採用台積電TSMC0.35um 2p4m CMOS製程,可調便增益為59 dB ~ 88 dB,低頻3 dB頻率161 Hz,高頻3 dB頻率5.9 k Hz,供應電壓±1V,功率消耗54.5 uW,晶片面積1.58 mm * 1.906 mm

 

 

      
Abstract

 

  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. Multi-electrode neural recordings are important development in basic neuroscience research and knowledge gained from these studies is beginning to enable clinical and neural prosthetic applications. Recent advances in MEMS (micro-electro-mechanical-system) technology enhancement, the advent of fully implantable multi-electrode arrays that can observe more the simultaneous activity of neurons has created the great need for fully integrated low power bio-amplifier. We design a low-power and programmable gain neural recording amplifier which has three kinds of work mode adjust the case of experiment. The low power bio-amplifier uses the concept of Miller effect to realize the bandwidth of neural recording and can greatly reduce the size of passive device which is too hard to be integrated on chip. Simultaneously it could reject very large DC offsets from electrode–electrolyte interface. The resulting amplifier built in a standard 0.35um 2p4m CMOS process programmable gain from 59 dB to 88 dB pass signal from 161 Hz to 5.9 k Hzpower supply ±1v and a power dissipation of 54.5 uW while consuming 1.58 mm * 1.906 mm of chip area.

 

            

簡介

 

大腦是由數以千億計的神經元所組成的,這些神經元是專門傳遞訊號的細胞, 當位於細胞表面的受體接收到神經傳導物質時,神經元便會產生動作電位以傳遞訊息。隨著科技的進步,人類對生物醫學、預防醫學越來越發覺其重要性,而其中腦部的活動與訊息之意義,也因為科技的發展,人類慢慢開始具有一窺腦部的神秘世界,因此開始出現腦科學研究。

 

科學家為了更深入了解大腦神經系統的運作,發展侵入式微電極量測 — 電生理法。傳統電生理量測採用單一微電極記錄方式,其信號分析方式分作兩種,一種為場電位記錄(field potentials recording),另一種方法是單一神經元活動記錄(single unit recording)。

       一.場電位記錄提供大範圍腦部神經元活動變化,其訊息包含各神經元活動在時間和空間的變化情形,為巨觀的資訊。

       二.神經系統的功能單位為神經細記錄,透過單一神經元記錄可呈現個別神經元細胞的特性與功能。

自從三十年代玻璃微電極的發明以來,單一神經元記錄法是神經科學中最基本的方法,舉凡興奮、抑制、神經傳遞等神經生理中最基本的原理均由這種方法發現與闡明。但是一個高等生物腦中有數十億個以上的神經細胞,而感覺、運動及複雜的心智活動如何經由這數十億個神經細胞的聯合作用產生,使用單一神經元記錄法來研究前述的問題,便有「見樹不見林」的盲點。雖然現代生物醫學影像方法突飛猛進,已可以記錄各種行為及心智活動時,實驗動物或人的腦中各部位的血流量、代謝速率、特定基因表現量及傳遞物質作用的能力(如2-DG、基因表現的組織化學染色、fMRIPET 等法),但電生理方法仍是目前唯一可直接觀察記錄單一神經細胞信號的方法。

為了觀察神經元訊號,設計一個電生理量測系統如圖1所示,此系統由四個部分組成:侵入式神經元記錄電極、電生理記錄放大器、類比數位轉換器、運算電腦。多頻道神經元記錄電極是基礎神經科學研究對於獲取臨床和神經元應用的重要發展。近來由於微機電技術的快速進步,侵入式神經元記錄電極可觀察到更多的神經元同步的反應因此對於低功率電生理放大器發展的需求大增。

 

 

1  電生理量測系統

 

由於神經元訊號非常微弱(10 uV),活動頻段100∼10 k Hz,最主要的活動頻率範圍為1 k Hz[13],若將訊號透過神經元記錄電極直接接到ADC,再傳輸至電腦將無法觀察分析,所以必須設計硬體放大電路以處理微弱的電生理訊號及克服外界的干擾問題。因此,本論文設計一個電生理記錄放大器,命名為電生理記錄之低功率多頻道訊號處理晶片。本論文所發展多通道電生理活動電位記錄晶片,主要的貢獻可整合所開發多通道微電極探針、後端多通道信號記錄分析系統,期望能使腦科學研究有更進一步的發展。電生理記錄之低功率多頻道訊號處理晶片具有以下特點:

1.具有三種工作模式:

      提供了三種工作模式,讓實驗者可以實驗情況選擇工作模式。

  2.可調gain:

  提供59 dB~88 dB可調gain,可依神經元訊號強弱,提供多元化的放大倍率,也可校正與神經元記錄電極和類比數位轉換器的阻抗匹配問題。

  3.低功率:

  低功率有許多種作法,最直接的方式,就是設計低電壓操作電路,但是過低的電壓會因為製程飄移而造成難以符合五種製程飄移點。本論文已經測試過五種製程飄移,仍可正常工作。

  4.有效整合被動元件於晶片中:

  國際公認電生理訊號活動頻寬為100∼400 Hz起,3 k~10 k Hz為止,最頻繁的頻帶在於1 k Hz[13],如果要整合被動元件於積體電路中,容易造成被動元件過大而無法以積體電路實驗,本研究可以有效整合被動元件於晶片中,只要提供電壓電源即可工作,無需外接被動元件。

本篇論文採用互補式金氧半電晶體的製程,有幾項潛在和明顯的價值,如提供了高輸入阻抗、CMOS是最便宜的製程、利於整合前端神經元電極CMOSMEMS製程和數位電路、CMOS光罩較少可得較高良率產品、可在低電壓操作、低消耗功率…等優點。根據理論完成生醫訊號放大器各個部份的電路設計、模擬結果及佈局。最後證明在此架構下的生醫訊號放大器,完全符合生醫訊號量測之需要。

              

 

                      

電生理訊號簡介

    神經元發出來的訊號如圖2所示[18],是1986年密西根大學Khalil Najafi所提供的一個從腦部皮質單一神經元放電所產生的典型訊號。一般而言,神經元所釋放的電訊號約50 uV ~ 500 uV,頻寬則在100 Hz~400 Hz起,3 k~10 k Hz[13]。電生理訊號頻寬是經驗法則,頻寬如果太寬,所看到的訊號,可能會引進不需要的雜訊,因此根據不同環境其頻寬的設計需求都不盡相同,但只要3 dB點在公認的範圍內,均屬合理的頻寬設計。

 

2  單一神經元典型電生理訊號

    韓國漢城大學Kyung-Hwan Kim2000年所發表的文獻中,針對圖3單一神經元產生的電生理訊號圖作FFT,得到圖3的頻譜分析[19]。由圖3,可以清楚看到頻率的分佈,在1 k Hz附近的訊號能量最多,是電生理訊號活動最頻繁的區域。

3  電生理訊號頻譜分析

基於經驗法則,在頻寬設計上不盡相同,雖然說只要符合國際公認頻寬100 Hz~400 Hz起,3 k~10 k Hz範圍內[13],均屬合理頻寬,但是也有實驗室設計頻寬時,將高頻部分設計在2 k Hz[45],相對來說,有點過低。RogersHarris [4]使用 matlab tool 針對電生理訊號作分析,偵測spike potential的最佳頻寬在1.4 k ~ 5.3 k Hz間,此區間有90%的偵測率。

 

                       國外實驗室綜合比較

 

    國外約有4個比較大型的實驗室發展成四種不同電生理訊號放大器的結構,分別由美國密西根大學、美國猶它州大學、美國Duke大學、美國華盛頓大學所發展,整理成表1,並將為了達成電生理記錄時,神經元頻帶要求所需被動元件大小,列成表2。其中以密西根大學發展最為悠久,早在1980年代,已經投入許多心力研究神經元記錄電極與電生理記錄放大器,目前已經發展成為無線系統,對於後來的研究者而言,提供了許多寶貴的資訊。在2000年之後,開始有許多國家的實驗室推動腦科學的發展,不論從電路硬體或演算法分析,都有可以改進或者正在被解決的問題,比如說在傳輸資料部分,也從傳送所有的row data演化成只傳送 spike potential、為了發展實用性,low-power issue越來越重要…等,希望藉由研究前人留下的點滴,設計出更適合電生理訊號放大之電路架構。

                       

 

 

Pedram Mohseni

Michigan , USA[27]

Reid R.Harrison

Utah , USA[31]

Iyad Obeid

Duke , USA[13]

Haidong Guo

Washington ,USA[12]

Roy H. Olsson III , Michigan , USA[36]

Technology process

AMI 1.5um

2p2m

AMI 1.5um

2p2m

AMI 0.5um

2p3m

TSMC 0.25um

--

Voltage

+-1.5V

+-2.5 V

+-2.5 V

+-1.5 V

+-1.5 V

Gain(dB)

39.5

39.5

47.453.4

20294049.5 60

38.9

BW (Hz)

26 ~ 6.5k

0.025 ~ 7.2k

211 ~ 7.5k

1 ~ 7k

可調 ~ 9.9k

Roll off (HP/LP)

-20 / -20

-20 / -20

-20 / -20

-- / 4 order

-20 / -20

OP architecture

P-type OTA

P-type OTA

N-type OTA

P-type OTA

P-type OTA

Power

133uW

80uW

950uW

520uW

68uW

Die size(mm*mm)

--

2.2 * 2.2

4.2*3.8

0.15*2

--

Output offset

--

--

37mV

--

-45mV

P.M.

75.5

52

--

--

--

Implementation

Single chip

Single chip

Discrete

Discrete

Single chip

Others

1.       laser programmable Rg提供PMOSpeudo-resister來降低HPpole

2.  power-line雜訊

1. 利用pseudo-resister來壓抑 HP pole

2.使用電容值,來達到40dB gain (20P0.2P)

3. power-line雜訊

1. 被動元件電容C(100nF)外接

2. 可調gain

 

1.       利用DAC加在body解決input offset

2.       有設計sample and hold

3.       power-line雜訊

4.       可調gain

1.Reid R.Harrison架構實現

2.需外加偏壓電壓來選擇pseudo-resister的效用

1  綜合規格表

 

 

Pedram Mohseni

Michigan , USA

[27]

Reid R. Harrison

Utah , USA[31]

Iyad Obeid

Duke , USA[13]

Haidong Guo

Washington ,USA

[12]

Roy H. Olsson III

Michigan , USA[36]

Paper publish

2002

2002

2003

2004

2005

R1

500

--

7.33k

1M

--

R2

50k

--

1.008M

1M

--

R3

30k

--

20k

1M

--

R4

--

--

800k

1M

--

C1

4p

0.2p

100nF外接

16.1p

0.1p

C2

--

0.2p

--

13.8p

0.1p

C3

--

20p

--

39p

10p

C4

--

20p

--

5.7p

10p

R summary

80.5k+pseudo resisiter

pseudo resister

1.827M

4M

pseudo resister

C summary

4p

40.4p

100nF外接

74.6p

22.2p

BW(Hz)

26 ~ 6.5k

0.025 ~ 7.2k

211 ~ 7.5k

1 7k

可調式 ~ 9.9k

Roll off

 (HP/LP)

-20 dB / -20 dB

-20 dB / -20 dB

-20dB / -20dB

-- / 4-order

-20 dB / -20 dB

2  被動元件使用記錄

 

 

                           

電生理記錄晶片設計

 

本論文針對電生理訊號放大設計作考量,並提出三種可由使用者根據不同狀況作選擇的運作模式,前置放大器模式(圖5)、平行高通濾波模式(圖6)及buffer模式(圖7)。

 

5  模式1前置放大器

6  模式2平行高通濾波

7  模式3 buffer

 

有三種模式主要考量,是針對電生理訊號常常會伴隨著當進行動物實驗時,會有電極與電解液發生約 100 mVDC-offset[25],如果對這些低頻大雜訊置之不理,非常有可能會對整個IC造成不正常工作的情況發生。因此設計成三種模式,主要的原因在於,為了日後發展電生理晶片的可能方向作佈局。簡單整理模式1.2.3之間的比較,如表3所示。

A.模式1:前置放大器

因為電生理訊號相當小,只有約10 uV等級,所以需要適當的放大,以便處理訊號濾波的功能。因為伴隨低頻大雜訊,所以可接受的放大倍率,會受限於第一級輸出點的swing範圍。在需要時,也可外接電阻變成可調倍率的放大器或者當作緩衝器,後面測試考量時會詳細描述

B.模式2:平行高通濾波

     嘗試先經過高通濾波器,把低頻大雜訊先去除掉,再針對訊號作適當的放大處理。這種模式能有效在動物實驗時,濾除large DC-offset,不過此作法會有訊號衰減的疑慮。為了避免有訊號過渡衰減的情況產生,將模式2改良成模式3的設計。

C.模式3:buffer

 整合了模式1與模式2的概念,發展成模式3。此模式加入了一前置放放大器,可先將電生理訊號經過適當放大後,在經過濾波去除低頻大雜訊,可避免訊號過度衰減的情況。

 

 

模式1

模式2

模式3

優點

電路所耗面積較小

解決DC-offset問題

ICMR比模式1大,提供增益選擇,且可解決模式2之弱點。

弱點

ICMR受到input DC offset限制(-0.14∼0.12)

有訊號衰減疑慮

面積比模式1.2稍大

3  模式比較

 

本論文的電生理訊號放大器設計,均以模式3為探討。模式1與模式2,在測量考量時,會著墨介紹。模式3可分成三個部分(圖7)。第一部分設計使用一個pre-amp,必要時,也可使用外接電阻變成可調 gain 的放大器或者當作 buffer 使用,第二部分,是一個高通濾波器,第三部分是一個具放大器功能的低通濾波器。

低功率對電生理記錄放大器而言,越來越重要,因為隨著神經元記錄電極的進步,可偵測到越來越多的神經元訊號,也就需要越來越多的電生理記錄放大器,當眾多的電生理放大器因實驗需要,必須被長時間使用於記錄訊號,此時功率與散熱問題,是非常重要的議題。再加上未來無線傳輸系統是一種趨勢,電源供應必然不會再使用power supply,電源必須用電池或其他可攜式的電能來源,因此低功率的需求已經成為研究電生理記錄放大器所要重視的問題。

本研究設計,與國外實驗室設計方式的差別,除了著重在於低功率之外,最大的差異在於盡量利用電路本身的特性來減少額外或多餘的設計。例如應用miller效應和頻率補償方式。以下小節針對電路設計作說明。

前置放大器(緩衝器)設計:

首先第一部份設計一個前置放大器,主要在於可事先放大電生理訊號,必要時,可當作 buffer 緩衝,也可適當的選擇外接電阻,以調整所需要的gain,圖8為典型放大器的設計。前置放大器的OP電路選擇,採用差動放大器,輸入級有PMOSNMOS兩種選擇,就 flicker noise 的觀點而言,PMOS擁有比NMOS更好的抗雜訊的能力[1][2][9][10],因此選擇PMOS當作difference input pair當作輸入級(flicker noise分佈如圖9)。

 

圖8  前置放大器架構示意圖

 

圖9  flicker noise頻譜分佈

 高通濾波器設計:

濾波器主要有1.被動濾波器、2.主動濾波器及3.SC濾波器三種架構中考量[39]。

1.    被動濾波器由被動元件RLC組成,但是會造成電生理訊號的嚴重衰減。

2.    主動濾波器由RCOP組成,會加入些微OP本身的noise

3.    SC濾波器會將switch noise 引入電生理訊號,有實驗室提出不適合應用於電生理訊號[13]。

由以上的分析,架構1與3不適合用於電生理訊號晶片設計上,最後選擇主動濾波器。

 

    主動濾波器的架構方式,有直接做成band-pass filter,也有利用HP+LP的合成效應。應用於電生理的頻寬時,如果直接做成band-pass filter,階數低的話,中間的平坦帶效果將會很差,容易得到一個peak值,階數高的話,被動元件數目多且數值大,將難以整合於一顆晶片中。所以選擇使用HP+LP的合成效應。

第二部分要設計高通濾波器,主要是去除動物實驗時,因電極與電解液產生約100 mV DC-offset非常大的低頻雜訊。國際上公認電生理的頻寬[13]是從 100 – 400 Hz 起,直到 3 k – 10 k Hz 為止。所以適當的設計濾波器去除龐大的低頻雜訊,對後端的ADC及分析系統是非常必要的。濾波器設計不在於高階,太高階的濾波器,對系統極可能會造成不良影響,甚至會變成不穩定系統[6][13][16]。

    國外實驗室,目前消除龐大的低頻雜訊,有美國Duke大學[6][13][16],使用外接電容 100 nF來達成去除低頻雜訊,該實驗室提出,如果使用Switch capacitor filter將會對電生理訊號加入switch noise 的干擾。美國華盛頓大學[12],以設計一個DAC,將經過適當選擇數位控制轉成類比訊號的電訊號,加諸在於輸入級的 body,進而達到抵消電生理訊號的DC offset ,不過對於電生理訊號的來源,往往夾雜的低頻訊號,也有市電的雜訊,所以此設計,對真實訊號而言,是一大考驗。美國猶它州大學[5][22][23][32][33][34][35][36],利用PMOS 設計為diode-connection的方式,達到形成pseudo-resister 的效果,因此可避免掉放入過於龐大的電阻值,該大學設計,是以電容比值為增益的主要來源,所以設計上電容會達到20 p,本研究設計,採用Miller 的概念,如圖10,利用OP的增益,來提高被動元件的效能。圖11為設計的示意圖。

圖10  Miller effect

 

 

圖11  高通濾波器架構示意圖

 

低通濾波器:

第三部分為具放大功能的低通濾波器,主要是利用回授控制,達到頻率補償實現低通濾波器,頻率補償原本是應用在於分離兩個較為接近的極點,形成一個主極點,進而提高電路的穩定度,不過在此,與其設計一個正統的低通濾波器,不如就利用電路本身的特性來達到低通濾波器的效果,這是我設計的概念。

偏壓設計:

    最後為提供偏壓的方式,採用2個PMOS組成。設計此偏壓電路提供系統一個適當偏壓點,經過計算與測試系統可接受的範圍,設計約0.13 V,設計電壓,因此設計完畢後,必須與整個系統連接上,並且測試5種製程飄移參數FFSSTTFSSF,已確保系統可正常工作,測試後整體系統可合乎原本預期之設計。

            

                         

晶片設計流程與製作

在設計電生理記錄放大器時,一開始先觀察電生理訊號有哪些反應與波形,參考其他相關實驗室之電路架構,思考自己要設計的架構後,提出一個構想,再利用HSPICETransistor Level 的電路設計及動作驗證與模擬 (Pre-Simulation),通過pre-simulation測試,就進入利用 Laker Tools 佈局,並且測試佈局後驗證 (Calibre DRC LVS)以及最後的模擬 (Post- Simulation)

佈局考量:

    類比電路的抗雜訊能力低且對製程敏感度高,因此在佈局時,需要注意整體位置。基本的類比電路佈局考量,有匹配的問題,要加入Dummy cell來保護重要元件,最好也在核心的電路部分,使用保護環(Guard ring)將被動元件與核心電路隔離。

設計單位電容0.05 pF45度角切齊(圖12)。利用單位電容繞成所需電容,加入DUMMY CELL,並用兩個contactguard ring圍住(圖13)。

        設計單位電阻1 k,使用Diffusion(圖14)。利用單位電阻繞成所需電阻,加入DUMMY CELL,並用兩個contactguard ring圍住(圖13)。

        圖15為1 channel佈局示意。

  

圖12  單位電容

圖13  加入DUMMY CELL與兩個contactguard ring圍住

圖14  單位電阻1 k

 

圖15  1 channel電路佈局示意

 

 

                          

佈局後的模擬結果

架構中,第一級為一個前放大器,圖16為前置放大器的波德圖。圖17為當buffer使用的情況,灌進輸入訊號有0.5V的DC offset加上700 uV1 k Hz電生理訊號,可以看見輸出訊號也維持700 uV的振幅。圖18為二階放大器OTA的波德圖,提供將近60 dBgain。圖19為高通濾波器的波德圖,截止頻率在161 Hz。圖20為具放大功能之低通濾波器的波德圖,截止頻率在5.9 k Hz。圖21為合成一個帶通濾波器之頻譜響應,提供約880倍的增益,頻帶在161 Hz起,5.9 k Hz止,合乎電生理的頻帶範圍。圖22為系統之phase margin85度。

圖23輸入訊號為為頻率 1 k,振幅700 uV的且具有0.5V的 DC offset,輸出是經過設計的電生理記錄晶片,可得到 700 uV * 880倍 =616 mV的輸出電壓。根據電生理訊號大部分都是10 uV等級,但是根據資料顯示,電生理spike action訊號極大值在500 uV。因此在模擬時,多預留點空間,灌進700 uV訊號測試。圖24為輸入合成訊號,假設電生理訊號頻率1 k,振幅10 uV,加上神經元記錄電極產生的100 mV DC-offset 和100 k Hz振幅為5 uV的雜訊。  

圖25,模擬各種溫度下對晶片的影響,模擬溫度範圍5∼85度,由5度開始,每次增加20度,直到85度為止。由模擬結果得到,溫度變化對頻寬影響不大,主要的影響在於增益會隨溫度上升而下降。此影響,因為晶片有設計前放大器,故可以彌補因為溫度變化而產生的非理想效應。

4為綜合比較表,列舉相關實驗室研究結果比較之,表5為相關實驗室提出之電生理記錄放大器之被動元件使用記錄。

 

圖16  前置放大器波德圖

圖17  輸入訊號有0.5V的DC offset 加上700 uV1 k Hz電生理訊號

圖18  OTA波德圖

圖19  高通濾波器的波德圖

圖20  具放大功能之低通濾波器的波德圖

圖21  帶通濾波器頻譜響應

圖22 系統之 phase margin85度

 

圖23   輸入訊號為為頻率 1 k,振幅700 uV的且具有0.5V的 DC offset

 

圖24為輸入合成訊號。(上)電生理訊號頻率1 K,振幅10 uV,加上神經元記錄電極產生的100 mV DC-offset 和100 k Hz振幅為5 uV的雜訊,(下)輸出結果

圖25  溫度變化對電生理放大器的影響

 

 

效能比較

  

 

Pedram Mohseni

Michigan , USA[27]

Reid R.Harrison

Utah , USA[31]

Iyad Obeid

Duke , USA[13]

Haidong Guo

Washington ,USA[12]

Proposed

Design

Technology process

AMI 1.5um

2p2m

AMI 1.5um

2p2m

AMI 0.5um

2p3m

TSMC 0.25um

1p5m

TSMC 0.35um

2p4m

Voltage

+-1.5 V

+-2.5 V

+-2.5 V

+-1.5 V

+-1V

Gain(dB)

39.5

39.5

47.453.4

20294049.5 60

59dB ~ 88dB

BW (Hz)

26 ~ 6.5 k

0.025 ~ 7.2 k

211 ~ 7.5 k

1 ~ 7 k

161 ~ 5.9 k Hz

Roll off (HP/LP)

-20 / -20

-20 / -20

-20 / -20

-- / 4 order

-20 / -20

OP architecture

P-type OTA

P-type OTA

N-type OTA

P-type OTA

P-type OTA

Power/channel

133 uW

80 uW

950 uW

520 uW

54.5 uW

Die size(mm*mm)

--

2.2 * 2.2

(6 channel)

4.2*3.8

(16 channel)

0.15*2

(1 channel)

1.906 * 1.58

(4 channel)

Output offset

--

--

37mV

--

5.2mV

P.M.

75.5

52

--

--

85

Implementation

Single chip

Single chip

Discrete

Discrete

Single chip

Others

1.       laser programmable Rg提供PMOSpeudo-resister來降低HPpole

2.  power-line雜訊

1. 利用pseudo-resister來壓抑 HP pole

2. 使用電容值,來達到40dB gain (20P0.2P)

3. power-line雜訊

1. 被動元件電容

C(100nF)外接

2. 可調gain

 

1. 利用DAC加在body上,解決input offset

2. 有設計sample and hold

3. power-line雜訊

4. 可調gain

1. 利用miller效應來設計HP filter

2.將頻率補償方式運用設計LPfilter

3.可調gain

表4  綜合比較表

 

Pedram Mohseni

Michigan , USA

[27]

Reid R. Harrison

Utah , USA

[31]

Iyad Obeid

Duke , USA

[13]

Haidong Guo

Washington ,USA

[12]

Proposed

Design

Paper publish

2002

2002

2003

2004

--

R1

500

--

7.33k

1M

1M

R2

50k

--

1.008M

1M

1M

R3

30k

--

20k

1M

--

R4

--

--

800k

1M

--

C1

4p

0.2p

100nF外接

16.1p

1p

C2

--

0.2p

--

13.8p

1p

C3

--

20p

--

39p

1p

C4

--

20p

--

5.7p

--

R summary

80.5k+pseudo resister

pseudo resister

1.827M

4M

2M

C summary

4p

40.4p

100nF外接

74.6p

3p

BW(Hz)

26 ~ 6.5 k

0.025 ~ 7.2 k

211 ~ 7.5 k

1 7 k

161 ~ 5.9 k

Roll off

 (HP/LP)

-20 dB / -20 dB

-20 dB / -20 dB

-20dB / -20dB

-- / 4-order

-20dB / -20dB

5  被動元件使用比較記錄

 

晶片整合

佈局平面圖

CKT name  :  NR chip                                                 

Technoloy  :  TSMC 2P4M 0.35um

Package    :  SB40

Chip Size   : 1906 um * 1580 um

Power Dissipation :  54.5uW1-channelHSPICE Results

 

 

圖26  layout 全圖

 

Process Technology

TSMC 0.35um 2p4m

Supply voltage

±1 Volt

channel

4

Gain

59dB88dB

Bandwidth

1615.9 k Hz

UGF

0.35.13 mega

Temperature range

5~85

Output offset

5.2mV

Phase margin

85

Roll off ( HP / LP )

-20 dB / -20 dB

Power consumption

54.5 uW

ICMR (5.1/5.3)

-0.140.12 / - infiniteinfinite

Die size

1.906 mm * 1.58 mm

Output loading

1G

Package

SB40

表6  預計規格表

結論

        在本論文中,首先以CMOS積體電路為基礎,發展出低功率電生理記錄放大器,在模擬上獲得成功。對於多頻道電生理訊號觀察,需要有體積小、功能簡單、容易操作、低電壓、低功率以便於長時間觀察神經元所產生的訊號,本研究基於上述原則而設計。半導體產業乃我國明星科技之一,CMOS積體電路設計技術結合醫學應用,極可能成為下一波明星產業。本研究結合了CMOS積體電路設計並應用於醫學上,對這方面將來的發展有所助益。

 

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