طراحی مداری گیرنده دستگاه الکتروانسفالوگرام مناسب برای کاربردهای قابل حمل
الموضوعات :
1 - فارغ التحصیل مقطع دکتری مهندسی برق، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
2 - گروه مهندسی برق، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
الکلمات المفتاحية: الکتروانسفالوگرام, فیلتر Gm-C, تکنیک تثبیت چاپر,
ملخص المقالة :
در سال‌های اخیر بسیاری از دستگاه‌های الکتروانسفالوگرام (EEG) قابل حمل و بی‌سیم شده اند. با توجه به الزامات تحرک و دوام، دستگاه‌های EEG نیازمند کوچکتر و سبکتر شدن، داشتن توان مصرفی پایین‌تر، به همراه کاهش نویز و آفست هستند. دامنه سیگنال EEG مقداری ضعیف بین ۲۰ تا ۲۰۰ میکروولت است و فرکانس سیگنال EEG از ۰.۱ تا ۱۰۰ هرتز را در بر می‌گیرد. علاوه بر این، رابط پوست الکترود یک ولتاژ آفست DC بزرگ در حدود 300± میلی ولت ایجاد می‌کند. این دو چالش می‌توانند سیگنال اصلی را برهم بزنند و دقت تشخیص را کاهش بدهند. در ورودی بخش تقویتکننده بسیاری از مدارهای EEG از تکنیک چاپر که با آن آفست و نویز 1/f مدوله می‌شوند، بنابراین دقت بالا، آفست میکروولت و نویز کم 1/f را می‌توان به‌دست آورد. تقویتکننده اصلی ترارسانا به عنوان تقویتکننده (IA) در بیشتر کارهای قبلی تقویتکننده کاسکد تاشده است. در این مقاله طرح ارائه شده با نوآوری در بخش تقویتکننده و استفاده از مدار مناسب برای بخش مدولاتور دوعامل کاهش توان مصرفی و نویز را به صورت همزمان ایجاد کرده است. مدار در تکنولوژی 0.18 μm CMOS طراحی شده و در شبیه‌سازی پساجانمایی تقویتکننده به بهره باند میانی dB60 و پهنای باندdB 3- در محدوده ۰٫۱ تا ۲۱0 هرتز دست می‌یابد. مساحت تراشه مدار با پایه‌ها 512×512 میکرومتر مربع است. LPF قابل تنظیم دارای فرکانس قطع ۱۰۰ هرتز است. مدار پیشنهادی دارای نویز ارجاعی ورودیµVrms ۰٫75 (۰٫۱~۱۰۰هرتز) و مصرف توانnW 760 با تغذیه 1 ولت می‌باشد.
[1] J. Feng, N. Yan and H. Min, "A low-power low-noise amplifier for EEG/ECG signal recording applications," IEEE International Conference on ASIC, 2011, pp. 145-148, doi:10.1109/ASICON.2011.6157143.
[2] N. Verma, A. Shoeb, J. Bohorquez, J. Dawson, J. Guttag and A. P. Chandrakasan, "A Micro-Power EEG Acquisition SoC With Integrated Feature Extraction Processor for a Chronic Seizure Detection System," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 45, no. 4, pp. 804-816, April 2010, doi:10.1109/JSSC.2010.2042245.
[3] J. Xu, R. F. Yazicioglu, B. Grundlehner, P. Harpe, K. A. A. Makinwa and C. Van Hoof, "A 160 µW 8-Channel Active Electrode System for EEG Monitoring," in IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, vol. 5, no. 6, pp. 555-567, Dec. 2011, doi:10.1109/TBCAS.2011.2170985.
[4] N. Y. Sutri, J. O. Dennis, M. H. M. Khir and M. U. Mian, "Noise minimization techniques for modulator demodulator circuits used for chopper stabilization in CMOS-MEMS sensor applications," AFRICON, 2015, pp. 1-5, doi:10.1109/AFRCON.2015.7332005.
[5] R. R. Harrison and C. Charles, "A low-power low-noise CMOS amplifier for neural recording applications," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 38, no. 6, pp. 958-965, June 2003, doi:10.1109/JSSC.2003.811979.
[6] M. Moradi, M. Dousti and P. Torkzadeh, "Designing a Low-Power LNA and Filter for Portable EEG Acquisition Applications," in IEEE Access, vol. 9, pp. 71968-71978, 2021, doi:10.1109/ACCESS.2021.3076160.
[7] X. Zhao, H. Fang, and J. Xu, “A transconductance enhanced recycling structure for folded cascode amplifier,” Analog Integr Circ Sig Process, vol.72, pp.259–263,2012, doi:10.1007/s10470-012-9843-6.
[8] M. Akbari, S. Biabanifard, S. Asadi, and M. C. E. Yagoub, “Design and analysis of DC gain and transconductance boosted recycling folded cascode OTA,” AEU—International Journal of Electronics and Communications, vol.68, no.11, 1047–1052, 2014, doi:10.1016/j.aeue.2014.05.007.
[9] Z. Xiao, F. Huajun, X. Jun, “DC gain enhancement method for recycling folded cascode amplifier in deep submicron CMOS technology,” IEICE electronics express, vol. 8, pp. 1450-1454, Sep. 2011, doi:10.1587/elex.8.1450.
[10] A. Agnes, F. Maloberti and G. Martini, "Improved Chopper Stabilized Amplifier for Offset and 1/f Noise Cancellation," IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems, 2006, pp. 529-532, doi: 10.1109/ICECS.2006.379842.
[11] N. Verma, A. Shoeb, J. Bohorquez, J. Dawson, J. Guttag and A. P. Chandrakasan, "A Micro-Power EEG Acquisition SoC With Integrated Feature Extraction Processor for a Chronic Seizure Detection System," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 45, no. 4, pp. 804-816, April 2010, doi:10.1109/JSSC.2010.2042245.
[12] J. Yoo, L. Yan, D. El-Damak, M. A. B. Altaf, A. H. Shoeb and A. P. Chandrakasan, "An 8-Channel Scalable EEG Acquisition SoC With Patient-Specific Seizure Classification and Recording Processor," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 48, no. 1, pp. 214-228, Jan. 2013, doi:10.1109/JSSC.2012.2221220.
[13] A. A. Alhammad, T.B. Nazzal1 and S. A. Mahmoud, “A CMOS EEG detection system with a configurable analog frontend architecture,” Analog Integr Circ Sig Process, vol. 89, pp. 151–176, Aug. 2016, doi:10.1007/s10470-016-0826-x.
[14] M. Nasseriana, A. Peiravia and F. Moradi, “A fully-integrated 16-channel EEG readout front-end for neural recording applications,” AEU - International Journal of Electronics and Communications, vol. 94, pp. 109-121, Sep. 2018, doi:10.1016/j.aeue.2018.06.045
[15] C. -J. Lee and J. -I. Song, "A Chopper Stabilized Current-Feedback Instrumentation Amplifier for EEG Acquisition Applications," in IEEE Access, vol. 7, pp. 11565-11569, 2019, doi:10.1109/ACCESS.2019.2892502.
[16] Z. Hoseini, M. Nazari, K. -S. Lee and H. Chung, "Current Feedback Instrumentation Amplifier With Built-In Differential Electrode Offset Cancellation Loop for ECG/EEG Sensing Frontend," in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 70, pp. 1-11, 2021, Art no. 2001911, doi:10.1109/TIM.2020.3031205.
_||_
[1] J. Feng, N. Yan and H. Min, "A low-power low-noise amplifier for EEG/ECG signal recording applications," IEEE International Conference on ASIC, 2011, pp. 145-148, doi:10.1109/ASICON.2011.6157143.
[2] N. Verma, A. Shoeb, J. Bohorquez, J. Dawson, J. Guttag and A. P. Chandrakasan, "A Micro-Power EEG Acquisition SoC With Integrated Feature Extraction Processor for a Chronic Seizure Detection System," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 45, no. 4, pp. 804-816, April 2010, doi:10.1109/JSSC.2010.2042245.
[3] J. Xu, R. F. Yazicioglu, B. Grundlehner, P. Harpe, K. A. A. Makinwa and C. Van Hoof, "A 160 µW 8-Channel Active Electrode System for EEG Monitoring," in IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, vol. 5, no. 6, pp. 555-567, Dec. 2011, doi:10.1109/TBCAS.2011.2170985.
[4] N. Y. Sutri, J. O. Dennis, M. H. M. Khir and M. U. Mian, "Noise minimization techniques for modulator demodulator circuits used for chopper stabilization in CMOS-MEMS sensor applications," AFRICON, 2015, pp. 1-5, doi:10.1109/AFRCON.2015.7332005.
[5] R. R. Harrison and C. Charles, "A low-power low-noise CMOS amplifier for neural recording applications," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 38, no. 6, pp. 958-965, June 2003, doi:10.1109/JSSC.2003.811979.
[6] M. Moradi, M. Dousti and P. Torkzadeh, "Designing a Low-Power LNA and Filter for Portable EEG Acquisition Applications," in IEEE Access, vol. 9, pp. 71968-71978, 2021, doi:10.1109/ACCESS.2021.3076160.
[7] X. Zhao, H. Fang, and J. Xu, “A transconductance enhanced recycling structure for folded cascode amplifier,” Analog Integr Circ Sig Process, vol.72, pp.259–263,2012, doi:10.1007/s10470-012-9843-6.
[8] M. Akbari, S. Biabanifard, S. Asadi, and M. C. E. Yagoub, “Design and analysis of DC gain and transconductance boosted recycling folded cascode OTA,” AEU—International Journal of Electronics and Communications, vol.68, no.11, 1047–1052, 2014, doi:10.1016/j.aeue.2014.05.007.
[9] Z. Xiao, F. Huajun, X. Jun, “DC gain enhancement method for recycling folded cascode amplifier in deep submicron CMOS technology,” IEICE electronics express, vol. 8, pp. 1450-1454, Sep. 2011, doi:10.1587/elex.8.1450.
[10] A. Agnes, F. Maloberti and G. Martini, "Improved Chopper Stabilized Amplifier for Offset and 1/f Noise Cancellation," IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems, 2006, pp. 529-532, doi: 10.1109/ICECS.2006.379842.
[11] N. Verma, A. Shoeb, J. Bohorquez, J. Dawson, J. Guttag and A. P. Chandrakasan, "A Micro-Power EEG Acquisition SoC With Integrated Feature Extraction Processor for a Chronic Seizure Detection System," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 45, no. 4, pp. 804-816, April 2010, doi:10.1109/JSSC.2010.2042245.
[12] J. Yoo, L. Yan, D. El-Damak, M. A. B. Altaf, A. H. Shoeb and A. P. Chandrakasan, "An 8-Channel Scalable EEG Acquisition SoC With Patient-Specific Seizure Classification and Recording Processor," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 48, no. 1, pp. 214-228, Jan. 2013, doi:10.1109/JSSC.2012.2221220.
[13] A. A. Alhammad, T.B. Nazzal1 and S. A. Mahmoud, “A CMOS EEG detection system with a configurable analog frontend architecture,” Analog Integr Circ Sig Process, vol. 89, pp. 151–176, Aug. 2016, doi:10.1007/s10470-016-0826-x.
[14] M. Nasseriana, A. Peiravia and F. Moradi, “A fully-integrated 16-channel EEG readout front-end for neural recording applications,” AEU - International Journal of Electronics and Communications, vol. 94, pp. 109-121, Sep. 2018, doi:10.1016/j.aeue.2018.06.045
[15] C. -J. Lee and J. -I. Song, "A Chopper Stabilized Current-Feedback Instrumentation Amplifier for EEG Acquisition Applications," in IEEE Access, vol. 7, pp. 11565-11569, 2019, doi:10.1109/ACCESS.2019.2892502.
[16] Z. Hoseini, M. Nazari, K. -S. Lee and H. Chung, "Current Feedback Instrumentation Amplifier With Built-In Differential Electrode Offset Cancellation Loop for ECG/EEG Sensing Frontend," in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 70, pp. 1-11, 2021, Art no. 2001911, doi:10.1109/TIM.2020.3031205.
