تقویت کننده لگاریتمی کم مصرف و کم نویز برای کاربرد ضبط سیگنال های زیست-پتانسیل

نویسندگان

دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی

چکیده

چکیده: در این مقاله یک تقویت­کننده لگاریتمی کم­مصرف با نویز پایین، برای استفاده در بخش جلویی میکروسیستم­های ضبط سیگنال­های زیست-پتانسیل، ارائه شده است. به­منظور جلوگیری از افزایش دمای بافت و تخریب آن در حـوالی الـمان کاشتـه­شده، عملکرد کم­مصرف در سیستم­های ثبت سیگنال عصبی، بسیار حیاتی و مهم است. مشخصه لگاریتمی با استفاده از تقریب­های تکه­ای-خطی محقق شده و از ساختار جمع موازی برای پیاده­سازی تقویت­کننده استفاده شده است. ساختار تمام تفاضلی به­کارگرفته­شده در تقویت­کننده لگاریتمی، موجب حذف ولتاژ حالت مشترک می­شود. این ساختار توانایی تولید خروجی به هر دو صورت جریان و ولتاژ را دارا می­باشد. برای حذف آفست DC، از سازوکار حذف آفست در حلقه فیدبک استفاده شده است. تقویت­کننده لگاریتمی در فناوریµm 18/0 سی­ماس شبیه­سازی شده است. پیاده­سازی مدار توسط رسم جانمایی صورت پذیرفت. نتایج شبیه­سازی پس از جانمایی، CMRR به میزان dB 2/130 در فرکانس Hz 60-50  و نویز ارجاع داده‌شده به ورودی µVrms 22/3در پهنای باند kHz 10-Hz 1/0 را نشان می­دهد. توان مصرفی تقویت­کننده لگاریتمی µW 96/3 برای یک منبع تغذیه V 2/1 است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

A low-power low-noise logarithmic amplifier for bio-potential signal recording applications

[1] K. Iniewski, VLSI Circuit for Biomedical Application, Artech House, INC, 2008.
[2] M. Yin and M. Ghovanloo, “A low-noise preamplifier with adjustable gain and bandwidth for biopotential recording applications,” IEEE International Symposium on Circuit and System, ISCAS, pp. 321-324, 2007.
[3] M. Mollazadeh, K. Murari, G. Cauwenberghs and N. Thakor, “Wireless micropower instrumentation for multimodal acquisition of electrical and chemical neural activity,” IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, vol. 3, pp. 388-397,2009.
[4] G. Buzsaki, “Large-scale recording of neuronal ensembles,” Nature Neuroscience, vol. 7, no. 5, pp. 446-451, 2004.
[5] R. A. Andersen, S. Musallam, and B. Pesaran, “Selecting the signals for a brain machine interface,” Current Opinion in Neurobiology, vol. 14, no. 6, pp. 720-726, 2004.
[6] R. R. Harrison, “The design of integrated circuits to observe brain activity”, Proceedings of the IEEE, vol. 96, no. 7, pp. 1203-1216, 2008.
[7] A. M. Sodagar, K. D. Wise and K. Najafi, “A fully integrated mixedsignal neural processor for implantable multichannel cortical recording”, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 54, no. 6, pp. 1075-1088, 2007.
[8] R. Chebli and M. Sawan, “Chopped logarithmic programmable gain amplifier intended to EEG acquisition interface,” 25th International Conference on Microelectronics (ICM), pp. 1–4, 2013.
[9] F. Seoane, J. Wang, G. Yu, F. Niul, and P. He, “An analog front-end enables electrical impedance spectroscopy system on-chip for biomedical applications,” Physiological Measurement, vol. 29, pp. S267-S278, 2008.
10] J. Ramos and J. L. Ausin, “Design considerations on CMOS limiting amplifiers for wearable biomedical systems,” 20th European Conference on Circuit Theory and Design (ECCTD), pp. 294–297, 2011.
[11] K. Kim, S. Choi, J.Kim, and D. Kim, “An improved speech processing strategy for cochlear implants based on an active nonlinear filterbank model of the biological cochlea,” IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 56, no. 3, pp. 828–836, 2009.
[12] M. Tavakoli, L. Turicchia, and R. Sarpeshkar, “An ultra-low-power pulse oximeter implemented with  an energy-efficient transimpedance amplifier,” IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, vol. 4, no. 1, pp. 27–38, 2010. 
[13] S. Grassini, S. Corbellini, E. Angelini, F. Ferraris, and M. Parvis, “Low-cost impedance spectroscopy system based on a logarithmic amplifier,” IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, vol. pp, no. 99, 2014.
[14] J.-J. Sit and R. Sarpeshkar, “A micropower logarithmic a/d with offset and temperature compensation,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 39, no. 2, pp. 308–319, 2004.
[15] B. Gilbert, “Translinear circuits: A proposed classification,” Electronics Letters, vol. 11, no. 1, pp. 14–16, 1975.
[16] C. D. Holdenried, J. W. Haslett, J. G. McRory, R. D. Beards and A. J. Bergsma, “A DC-4-GHz true logarithmic amplifier: theory and implementation,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 37, no. 10, pp. 1290–1299, 2002.
[17] M. Shaterian, A. Abrishamifar and H. Shamsi, “Analysis and design of the true piecewise approximation logarithmic amplifiers,” Analog Integrated Circuits and Signal Processing, vol. 72, no. 1, pp. 193–203, 2012.
[18] F. Zhang, J. Holleman and B. Otis, “Design of ultra-low power biopotential amplifiers for biosignal acquisition applications,” IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, vol. 6, no. 4, pp. 344-355, 2012.
[19] J. Parthasarathy, A. G. Erdman, A. D. Redish and B. Ziaie, “An integrated CMOS bio-potential amplifier with a feed-forward DC cancellation topology,” 28th IEEE EMBS Annual International Conference, pp. 2974-2977 2006.
[20] R. R. Harrison and C. Charles, “A low-power low-noise CMOS amplifier for neural recording applications,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 38, no. 6, pp. 958–965, 2003.
[21] Y. Sundarasaradula and A. Thanachayanont, “A 0.7-V, 2.86-μW low-noise logarithmic amplifier for neural recording system,” IEEE TENCON, pp. 0–3, 2013.
[22] Y.Tsividis, Operation and Modeling of the MOS Transistor, McGraw-Hill, 2nd edition, 1998.
[23] Z. Derafshi and J. Frounchi, “Low‐noise low‐power front‐end logarithmic amplifier for neural recording system,” International Journal of Circuit Theory and Applications, vol. 42, no. 5, pp. 437-451, 2012.