Efficient neural amplifiers using MOS and MIM capacitors in 180 nm CMOS process

• Autorzy: Kmon P. , Gryboś P. , Szczygieł R. , Żołądź M.

Warianty tytułu

PL

Wzmacniacze sygnałów neurobiologicznych o bardzo małej powierzchni wykorzystujące pojemności MOS i MIM wykonane w technologii CMOS 180 nm

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents design methods that allow to drastically limit an area of a recording channel in multichannel integrated circuits dedicated to neurobiology experiments. The techniques that are presented in this paper can be applied in a 3D multichannel integrated systems where area limitations are very strict. Furthermore, they allow one to mitigate main problems existing in modern submicron processes i.e. leakage currents, a difficulty of obtaining very large MOS based resistances or uniformity of main parameters of recording channels. For further improvement of the recording channels we designed and processed in 180nm CMOS technology two recording channels that differ from each other in type of capacitors used. Their measurement results show that thanks to the applied methods we are able to tune the lower cut-off frequency in a very large range, i.e. 10 mHz - 300 Hz. The upper cut-off frequency can be changed for two different modes, i.e. neural spike recording mode where it is equal to 9 kHz or slow biomedical signals recording mode where it can be changed in the 10 Hz - 280 Hz range. The voltage gain of the recording channels can be switched either to 260 V/V or to 1000 V/V. The input referred noise of the recording channel is equal to 5 pV while its power consumption is equal to only 11 pW. The single recording channel occupies only 0.06 mm2 of the chip area and together with its large functionality allows one to adapt it into modern 3D pixel multichannel neurobiology applications.

PL

W artukule zaprezentowano metody projektowe, które pozwalająznacząco zmniejszyć powierzchnię zajmowaną przez elektronikę odczytu stosowaną w wielokanałowych systemach przeznaczonych do rejestracji sygnałów neurobiologicznych. Autorzy pracy prezentują porównanie dwóch kanałów odczytowych wykonanych w technologii submikronowej CMOS 180 nm, w których zastosowano pojemności oparte na strukturach MOS bądź kondensatorach MIM (metal-izolator-metal). W szczególności rozpatrywane są kwestie związane z prądami upływu tych struktur co ma bardzo duże znaczenie w kontekście najnowszych technologii CMOS. Artykuł prezentuje wyniki pomiarów przykładowego toru odczytowego - dolna częstotliwość graniczna może być regulowana w zakresie 10 mHz - 300 Hz, górna częstotliwość graniczna może być ustawiania na 9 kHz bądź w zakresie 10...280 Hz, zaś wzmocnienie napięciowe może być przełączane pomiędzy wartościami 260 V/V lub 1000 V/V. Pojedyczny kanał pomiarowy zajmuje 0,06 mm2 powierzchni, pobiera 11 L/W mocy, a jego wejściowe szumy napięciowe wynoszą 5 /l/V.

Słowa kluczowe

EN

multichannel recording; ASIC; neurobiology experiments; 3D implantable systems

PL

wielokanałowe układy scalone; eksperymenty neurobiologiczne; trójwymiarowe systemy implantowane

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 53, nr 12
• Strony: 20--23
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., il., wykr., rys.

Twórcy

autor

Kmon P.

autor

Gryboś P.

autor

Szczygieł R.

autor

Żołądź M.

• AGH University of Science and Technology, Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Nurmikko A. V., Donoghue J. P., Hochberg L. R., Patterson W. R., Song Y.-K., Bull C. W., Borton D. A., Laiwalla F., Park S., Ming Y., Aceros J.: Listening to Brain Microcircuits for Interfacing With External World-Progress in Wireless Implantable Microelectronic Neuroengineering Devices. Proceedings of the IEEE, 2010, Vol. 98, No. 3, pp. 375-388.
• [2] Lebedev M. A. and M. A. Nicolelis: Brain-machine interfaces: Past, present and future. Trends in Neurosciences, vol. 29, no. 9, pp. 536-546, Sep. 2006.
• [3] Litke A., Bezayiff N., Chichilinsky E., Cunnigham W., Dąbrowski W., Grillo A., Grivich M., Grybos P., Hottowy P., Kachiguine S., Kalmar R., Mathieson K., Petrusca D., Rahman M., Sher A.: What does the eye tell the brain? Development of system for the large-scale recording of retinal output activity. IEEE Transactions on Nuclear Scienc, vol. 51, 2004, pp. 1434-1440.
• [4] Berger T. W., et al.: Restoring lost cognitive function: Hippocampal- cortical neural prostheses. IEEE Eng. Med. Biol. Mag., vol. 24, no. 5, pp. 30-44, Sep./Oct. 2005.
• [5] Nordhausen C. T., Maynard E. M., Normann R. A.: Single unit recording capabilities of a 100-microelectrode array. Brain Res., Vol. 726, pp. 129-140, 1996.
• [6] Grybos P., Kmon P., Zoladz M., Szczygieł R., Kachel M., Lewandowski M., Błasiak T.: 64 Channel Neural Recording Amplifier with Tunable Bandwidth in 180 nm CMOS Technology. Metrol. Meas. Syst., Vol. XVIII (2011), No. 4.
• [7] Zoladz M., Kmon P., Grybos P., Szczygieł R., Kłeczek R., Otfinowski P.: A Bidirectional 64-channel Neurochip for Recording and Stimulation Neural Network Activity. IEEE EMBS Neural Engineering Conference, 2011, Cancun, Mexico.
• [8] Grybos P.: Low Noise Multichannel Integrated Circuits in CMOS Technology for Physics and Biology Applications. Monography 117, AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2002, available at: www.kmet.agh.edu.pl/www/asics
• [9] Szczygieł R., Grybos P., Maj P.: A Prototype Pixel Readout IC for High Count Rate X-Ray Imaging Systems in 90 nm CMOS Technology. IEEE Transactions on Nuclear Science, 57(3), 1664-1674, 2010.
• [10] Brown, E. A., Ross J. D., Blum R. A., Nam Y., Wheeler B. C., DeWeerth S. P.: Stimulus-artifact elimination in a multi-electrode system. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, 2008, Vol. 2, No. 1.
• [11] Perelman Y., Ginosar R.: Analog frontend for multichannel neuronal recording system with spike and LFP separation. Journal of Neuroscience Methods 153, 2006, pp. 21-26.
• [12] Gosselin B., Sawan M., Chapman C. A.: A Low-Power Integrated Bioamplifier With Active Low-Frequency Suppression. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, 2007, Vol. 1, No. 3R.
• [13] Harrison R., Charles C.: A low-power low-noise CMOS amplifier for neural recording applications. IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 38, no. 6, pp. 958-965, Jun. 2003.
• [14] Perlin G. E., Wise K. D.: An Ultra Compact Integrated Front End for Wireless Neural Recording Microsystems. Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 19, No. 6, December 2010.