Low noise and low power multichannel integrated circuit for recording neural spikes and LFP signals

• Autorzy: Kmon P. , Zoladz M. , Grybos P. , Szczygiel R.

Warianty tytułu

PL

Niskoszumny wzmacniacz o niskim poborze mocy do rejestracji szerokiej gamy sygnałów neurobiologicznych

• Konferencja: Mixed Design of Integrated Circuits and Systems MIXDES 2011 (18 ; 16-18.06.2011 ; Gliwice, Poland)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

We present the design and measurement results of the multichannel ASIC dedicated for neurobiology experiments. Chip is fabricated in CMOS 180 nm technology and comprises 64 channels. A single readout channel is able to record both neural spikes and LFP (Local Field Potential) signals. Each channel is equipped with digital registers responsible for controlling its voltage gain, low and high cut-off frequencies, and voltage offsets of the recording channel. Thanks to these registers user is able either to set parameters of each channel independently with respect to the specific requirements of neurobiology experiments or to correct the mismatch effects in a multichannel system. The low cut-off frequency of the recording channel may be changed in the 60 mHz - 100 Hz range, the high cut-off frequency can be set to 4.7 kHz or 12 kHz while the voltage gain may be set to 139 V/V or to 1100 V/V. Single recording channel consumes only 25 µW of the power from š 0.9 V voltage supply, its input referred noise is on the 3.7 µV level and it occupies 0.13 mm² of the silicon area.

PL

Praca prezentuje wielokanałowy układ scalony przeznaczony do rejestracji sygnałów neurobiologicznych. Został on wykonany w technologii CMOS 180 nm i składa się z 64 kanałów odczytowych. Kanały odczytowe są w stanie rejestrować zarówno wolnozmienne jak i szybkozmienne sygnały neurobiologiczne (z ang. zwane odpowiednio LFP i neural spikes). Każdy z kanałów wyposażony jest w rejestry cyfrowe odpowiedzialne za kontrolę wzmocnienia napięciowego, dolnej i górnej częstotliwości granicznej oraz rozrzutów wyjściowych napięć stałych. Dolna częstotliwość graniczna może być zmieniana w zakresie 60 mHz do 100 Hz, górna częstotliwość graniczna może być przełączana do wartości 4,7 kHz bądź 12 kHz zaś wzmocnienie napięciowe może być ustawione na 139 V/V bądź 1100 V/V. Pojedyczny kanał odczytowy pobiera zaledwie 25 µW mocy z zasilania š 0,9 V, jego wejściowe szumy napięciowe wynoszą 3,7 µV i zajmuje on 0,13 mm² powierzchni.

Słowa kluczowe

EN

multichannel recording ASIC; neurobiology experiments

PL

wielokanałowe układy scalone ASIC; eksperymenty neurobiologiczne

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 52, nr 12
• Strony: 18--20
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., wykr.

Twórcy

autor

Kmon P.

autor

Zoladz M.

autor

Grybos P.

autor

Szczygiel R.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Electrical Engineering, Automatics, Computer Science and Electronics, Department of Measurement and Instrumentation, Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Wise K. D., Sodagar A. M., Yao Y., Gulari M. N., Perlin G. E., Najafi K.: Microelectrodes, Microelectronics, and Implantable Neural Microsystems. 2008, Proceedings of the IEEE, pp. 1184-1202, Vol. 96. no. 7.
• [2] Blum R. A., Ross J. D., Brown E. A., DeWeertn S. P.: An Integrated System for Simultaneous, Multichannel Neuronal Stimulation and Recording. IEEE Transactions on Circuits and Systems, December 2007, Vol. 54, pp. 2608-2618.
• [3] Stegenga J., van Wezell R., Heida T.: Network activity patterns in the subthalamic nucleus of the rat. 7th International Meeting on Substrate-Integrated Microelectrode Arrays, 2010.
• [4] Behrens C. J., van den Boom L. P., de Hoz L., Friedman A., Heinemann U.: Induction of sharp wave - ripple complexes in vitro and reorganization of hippocampal networks. 2005, Nature Neuroscience.
• [5] Nurmikko A. V., Donoghue J. P., Hochberg L.- R., Patterson W. R., Song Y. - K.; Bull C.- W., Borton D. A., Laiwalla R., Park S., Ming Y., Aceros J.: Listening to Brain Microcircuits for Interfacing With External World-Progress in Wireless Implantable Microelectronic Neuroen-gineering Devices. Proceedings of the IEEE. 2010, Vol. 98, No. 3, pp. 375-388.
• [6] Harrison R. R.: A versatile integrated circuit for the acquisition of biopotentials. Custom Integrated Circuits Conference, 2007, CICC, 07 IEEE, pp. 115-122.
• [7] Grybos P.: Low Noise Multichannel Integrated Circuits in CMOS Technology for Physics and Biology Applications. Monography 117, AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Krakow 2002, available at: www.kmet.agh.edu.pl/www/asics.
• [8] Kmon P., Zoladz M., Grybos P., Szczygieł R.: Design and Measurements of 64-channel ASIC for Neural Signal Recording. 31st Annual International Conference of the IEEE EMBS Minneapolis, Minnesota, USA. September 2009, pp. 528-531.
• [9] Zoladz M., Kmon P., Grybos P., Szczygiel R., Kleczek R., Otfinowski P.: A Bidirectional 64-channel Neurochip for Recording and Stimulation Neural Network Activity. To be presented at the IEEE EMBS Neural Engineering Conference, 2011, Cancun, Mexico.
• [10] Harrison R. R., Watkins P. T.: A low power integrated circuit for a wireless 100-electrode neural recording system. IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 42, pp. 123-133.
• [11] Wattanapanitch W., Fee M., Sarpeshkar R.: An Energy-Efficient Micropower Neural Recording Amplifier. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Ssytems, vol. 1, no. 2, June 2007.
• [12] Grybos P., Kmon P., Zoladz M., Szczygiel R., Kachel M., Lewandowski M., Blasiak T.: 64 Channel Neural Recording Amplifier with Tunable Bandwidth in 180 nm CMOS Technology. Metrol. Meas. Syst, vol. XVIII (2011), no. 4.