Scalony szerokopasmowy nadajnik dla systemu bezprzewodowej rejestracji potencjałów neuronowych

• Autorzy: Turcza P. , Młynarczyk J.

Warianty tytułu

EN

Integrated wideband transmitter for neural recording applications

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono projekt scalonego szerokopasmowego nadajnika dla systemu bezprzewodowej rejestracji potencjałów neuronowych. Prezentowany nadajnik został zaimplementowany w technologii CMOS 180 nm i pracuje w paśmie 4 GHz z modulacją OOK. Maksymalna oferowana szybkość transmisji sięga 80 Mb/s. Średni pobór mocy, przy szybkości transmisji 20 Mbit/s i zasięgu 4 m wynosi 1,8 mW. Struktura nadajnika zajmuje powierzchnie 0,4 x 0,75 mm², na której oprócz elementów aktywnych mieszczą się cewki obwodu rezonansowego generatora LC i wzmacniacza RF. Napięcie zasilania układu wynosi od 1,5 V do 1,8 V, co pozwala na zasilanie nadajnika z jednej baterii pastylkowej. Układ sterujący nadajnika zaimplementowano w ultra niskomocowym układzie FPGA firmy Silicon Blue. Zawiera on kodera FEC, moduł przeplotu danych oraz kontroli mocy transmisji.

EN

The paper presents a low power integrated wideband telemetry system for neural recording. The presented system operates in 4 GHz band. It makes use of OOK modulation and offers very high data rate, up to 80 Mbits/s. The proposed system (Fig. 1) consists of an FPGA based controller and an an RF transmitter. The controller implements an FEC encoder, a bit interleaver, a scrambler and a pulse generator driving the RF transmitter. The FEC encoder is based on a bit-serial (233, 255) Reed-Solomon encoder. The scrambler is responsible for producing appropriate numbers of transitions in the transmitted signal to facilitate bit syn-chronization in the receiver. The RF transmitter was implemented in 180 nm CMOS process with an area of 0.4 x 0.75 mm². It consumes 1.8 mW operating with the 20 Mbits/s data rate and the transmission range set to 4 m. All of the inductors were integrated on the transmit-ter silicon die, so the only external components are power supply bypass capacitors. For the experimental tests of the presented system a dedicated ultra wide-band antenna was designed on a 0.813 mm microwave substrate (Fig. 7). The radiating element (top layer) has dimensions of roughly 16 x 15 mm and the ground plane dimensions are 16 x 12 mm (bottom layer). The antenna features a very wide impedance band-width of 2.45 GHz (reflection coefficient below -10 dB) and operates in the frequency range 3.30 to 5.75 GHz. The antenna gain at the intended center frequency of the system, i.e. 4 GHz, is 2 dBi and VSWR is below 1.2. The accompa-nying receiver makes use of an AD8318 logarithmic detector.

Słowa kluczowe

PL

telemetria; pomiary neurobiologiczne; zintegrowane układy scalone; CMOS

EN

telemetry; neural recording systems; CMOS

• Wydawca: Wydawnictwo PAK
• Czasopismo: Pomiary Automatyka Kontrola
• Rocznik: 2013
• Tom: R. 59, nr 3
• Strony: 231--234
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., tab., wzory

Twórcy

autor

Turcza P.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Młynarczyk J.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Harrison R., Watkins P., Kier R., Lovejoy R., Black D., Greger B., Solzbacher F.: A Low-Power Integrated Circuit for a Wireless 100-Electrode Neural Recording System, IEEE J. Solid-State Circuits, 42 (2007), pp. 123-133.
• [2] Aziz J. N, Abdelhalim K., Shulyzki R., Genov R., Bardakjian B., Derchansky M., Carlen P.: 256-channel neural recording and delta compression microsystem with 3D electrodes. Solid-State Circuits, IEEE Journal of, 44(3), (2009) pp. 995-1005.
• [3] Kmon P.: Wielokanałowy układ scalony do złożonych eksperymentów neurobiologicznych, Pomiary, Automatyka, Kontrola, vol. 58, nr 4, s. 376–378, 2012.
• [4] Ruther P., Herwik S., Kisban S., Seidl K., Paul O.: Recent progress in neural probes using silicon MEMS technology, IEEJ Trans. Elect. Electron. Eng. (5) (2010) pp. 505–515.
• [5] Torfs, T., Aarts, A. A., Erismis, M. A., Aslam, J., Yazicioglu, R. F., Seidl, K., Herwik S., Ulbert I., Dombovari B., Fiath R., Kerekes B. P., Puers R., Paul O., Ruther P., Hoof C. V., Neves H. P.: Two-Dimensional Multi-Channel Neural Probes With Electronic Depth Control, IEEE Trans. Biomed. Circuits and Sys. (Oct.) (5) (2011) pp.403-412.
• [6] Haveman J., Sminia P., Wondergem J., van der Zee J, Hulshof M.: Effects of hyperthermia on the central nervous system: what was learnt from animal studies? Int. J. Hyperthermia. (21) (5) (2005) 473–87.
• [7] Berlekamp E. R.: Bit-Serial Reed-Solomon Encoders, IEEE Trans. on Information Theory, IT-28 (6), pp. 869-874, 1982.
• [8] Cha C. Y., Lee S. G.: A Complementary Colpitts Oscillator in CMOS Technology, IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, 53 (2005) 881–887.
• [9] Barras D., Ellinger F., Jackel H., Hirt W.: Low-power ultra-wide band wavelets generator with fast start-up circuit, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 54 (2006) 2138–2145.
• [10] Bachelet Y., Bourdel S., Gaubert J., Bas G., Chalopin H.: Fully integrated CMOS UWB pulse generator, Electron. Lett., 42 (2004) 1277–1278.
• [11] Fernandes J. R., Gonçalves H. B., Oliveira L. B., Silva M. M.: A Pulse Generator for UWB-IR Based on a Relaxation Oscillator, IEEE Trans. Circuits Syst. II, Exp. Briefs, 55 (2008) 239-243.
• [12] Friss H. T.: A note on a simple transmission formula: IEEE Trans. Proc. IRE., vol. 34, no. 5, pp. 254–256, May 1964.