یک تقویت کننده عملیاتی بهبود یافته ۱٫۲V برای کاربردهای زیست پزشکی A 1.2V improved operational amplifi er for bio-medical applications
- نوع فایل : کتاب
- زبان : فارسی
- چاپ و سال / کشور: 2012
توضیحات
چاپ شده در مجله بین المللی مهندسی پزشکی و تکنولوژی – International Journal of Biomedical Engineering and Technology
رشته های مرتبط مهندسی برق، مهندسی الکترونیک، مدارهای مجتمع الکترونیک، سیستمهای الکترونیک دیجیتال
۱٫ مقدمه اخیرا، یک تقاضای روبه افزایش برای مدارهای یکپارچه ی سیگنال مجتمع با نویز پایین و توان پایین، در سیستم های پزشکی قابل حمل وجود دارد. بنابراین، یک سطح بالایی از یکپارچگی سیستم برای مدیریت سیستم پتانسیل زیستی مورد نیاز است. معمول ترین پتانسیل های زیستی مشاهده شده که برای تشخیص پزشکی مورد استفاده قرار گرفته اند، به صورت غیر تهاجمی با الکترودهایی که روی سطح پوست قرار داده می-شوند پایش می شوند (Lee et al., 2006a, 2006b). این ها شامل الکتروکاردیوگرام (ECG) که فعالیت قلب را پایش می کند؛ الکترومیوگرام (EMG)، که سایر فعالیت های عضلانی در بدن را پایش می کند، و الکتروانسفالوگرام (EEG) که فعالیت الکتریکی در مغز را توسط پتانسیل های ضعیف روی پوست سر پایش می-کند، می باشند. چندین روش برای یکپارچه کردن تکنولوژی CMOS با استفاده از آنالوگ front end انجام شده اند. عموما، تراشه ی یکپارچه یک محصول نسبتا کم هزینه، اما با مصرف قدرت بالا برای سیگنال های ECG و EEG ارائه می کند. برای غلبه بر این مشکل، اجزا قابل برنامه ریزی با مبادله ی قابل تعدیل بین نویز و اتلاف قدرت در همان تراشه تعبیه شده است. از آنجایی که منبع نویز اصلی در حلقه ی ثبت سیگنال های زیست پزشکی در اولین مولفه یعنی پیش تقویت کننده، که ترکیبی از تقویت کننده های عملیاتی می باشد، مشاهده شده است، یک تقویت کننده ی عملیاتی قابل برنامه ریزی (op-amp) یک جزء کلیدی است (Van Helleputte et al., 2008). Op-amp قابل برنامه ریزی بر اساس تکنولوژی مدار موجود در هوگرورست و هویجسینگ (۱۹۹۶) طراحی شده است. op-amps ارائه شده در برونسکووسکی و شرودر (۲۰۰۷) و میر اوف در هید و همکارانش (۲۰۰۷) از این تکنولوزی برای طراحی خودش استفاده کرده است و با استفاده از تکنولوژی CMOS 0.35 میکرومتر با یک ولتاژ منبع ۳٫۳ ولتی اجرا شده است. آن سطح بزرگی را اشغال می کند و مصرف قدرت بالایی دارد. بنابراین، ولتاژ منبع op-amps قابل برنامه ریزی، در حدود ۱ ولت حفظ می شود تا اتلاف قدرت کمتر را تضمین کند. اما، توپولوژی های مدار آنالوگ مرسوم، با این ولتاژ منبع کار نمی کند چون مقیاس اندازه ی دستگاه پایین آورده شده است، ولتاژ آستانه ی ترنزیستورهای MOS کاهش نیافته بود چون این می توانست منجر به افزایش جریان های نشتی شود. این مساله می تواند با استفاده از MOSFETS های متناوب مانند MOSFETs های دارای دریچه ی شناور، MOSFETS های تحریک شده و DTMOS تسکین داده شود. یک op-amp V1.2 در یک فرایند CMOS 0.35 میکرونی (Riiisanen-Ruotsalainen et al., 2000) با استفاده از ترنزیستورهای ورودی با دریچه ی شناور یکپارچه می شود تا محدوده ی ولتاژ حالت معمول ورودی op-amp را افزایش دهد اما به خاطر تقسیم خازنی، سیگنال ورودی ضعیف می شود که منجر به بهره ی ضعیف تر، محصول پهنای باند با بهره کمتر و خصوصیات نویز پایین تر می شود. در ترنزیستورهای تحریک شده ی بزرگ (Lasanen et al., 2000)، محدودیت های ولتاژ آستانه ناپدید می شود اما دستگاه ها مقدار هدایت عرضی پایین تر داشتند که به دلیل توان (ظرفیت الکتریکی) کنترل کمتر لایه ی تخلیه ، توان پارازیتی بزرگتر که فرکانس را پایین تر می آورد و ورودی بالاتر نویز ارسالی می باشد. طراحی op-amp بر اساس ترنزیستورهای ولتاژ آستانه ی داینامیک (DTMOS)، برای کاربردهای زیست پزشکی ولتاژ پایین و توان پایین ترجیح داده می شود (Achigui et al., 2003). بدنه و دریچه ی این ترنزیستور DTMOS در پتانسیل مشابه، دارای بایاس می شود. بنابراین، آن قادر به پردازش سیگنال های نوری با دامنه ی پایین می باشد و برای ساخت بخش گیرنده ی front end دستگاه فلوتومتری طیفی مادون قرمز نزدیک (NIRS) مورد استفاده قرار گرفته است. از طرف دیگر، op – amp به نویز لرزشی حساس می باشد (۱/f)، که آن را در کاربردهای زیست پزشکی با فرکانس پایین بسیار مضر می سازد که به دلیل طیف قدرت و آفست ولتاژ آن می باشد. بنابراین، توانایی برنامه ریزی op amp باید به طوری بهره برداری شود که، اگر کاربردهای پزشکی مختلف در یک تراشه با هم ترکیب شده باشند، هم در حالت نویز پایین و هم در حالت توان پایین کار کند. یک کاربرد از این نوع از op amp در آنالوگ front end یک سیستم روی تراشه (SoC) برای دستیابی به سیگنال زیست پزشکی مورد استفاده قرار گرفته بود (Hafkemeyer et al., 2007). برای مثال، op amp در وضعیت نویز پایین برای ثبت های EEG حساس یا حالت قدرت پایین برای کاربردهای ECG متحرک برنامه ریزی می شود. برخلاف op ampsهای مرسوم، op amps های قابل برنامه ریزی مزیت وفق پذیری با خصوصیات سیستم را دارند. در این مقاله، یک op amp قابل برنامه ریزی بهبود یافته که بر عیب op ampsهای مرسوم غلبه کرده بود، پیشنهاد شده است و با استفاده از تکنولوژی CMOS 130 نانومتری با ولتاژ منبع ۱٫۲ ولتی اجرا شده است. بخش ۲، عملیات پایه ی و اجرای طراحی ساختار op amp موجود را توصیف می کند. ساختار op ampهای بهبود یافته و طراحی آن ها در بخش ۳ توصیف شده است. نتایج شبیه سازی در بخش ۴ ارائه شده است و نتایج در بخش ۵ ارائه شده اند.
رشته های مرتبط مهندسی برق، مهندسی الکترونیک، مدارهای مجتمع الکترونیک، سیستمهای الکترونیک دیجیتال
۱٫ مقدمه اخیرا، یک تقاضای روبه افزایش برای مدارهای یکپارچه ی سیگنال مجتمع با نویز پایین و توان پایین، در سیستم های پزشکی قابل حمل وجود دارد. بنابراین، یک سطح بالایی از یکپارچگی سیستم برای مدیریت سیستم پتانسیل زیستی مورد نیاز است. معمول ترین پتانسیل های زیستی مشاهده شده که برای تشخیص پزشکی مورد استفاده قرار گرفته اند، به صورت غیر تهاجمی با الکترودهایی که روی سطح پوست قرار داده می-شوند پایش می شوند (Lee et al., 2006a, 2006b). این ها شامل الکتروکاردیوگرام (ECG) که فعالیت قلب را پایش می کند؛ الکترومیوگرام (EMG)، که سایر فعالیت های عضلانی در بدن را پایش می کند، و الکتروانسفالوگرام (EEG) که فعالیت الکتریکی در مغز را توسط پتانسیل های ضعیف روی پوست سر پایش می-کند، می باشند. چندین روش برای یکپارچه کردن تکنولوژی CMOS با استفاده از آنالوگ front end انجام شده اند. عموما، تراشه ی یکپارچه یک محصول نسبتا کم هزینه، اما با مصرف قدرت بالا برای سیگنال های ECG و EEG ارائه می کند. برای غلبه بر این مشکل، اجزا قابل برنامه ریزی با مبادله ی قابل تعدیل بین نویز و اتلاف قدرت در همان تراشه تعبیه شده است. از آنجایی که منبع نویز اصلی در حلقه ی ثبت سیگنال های زیست پزشکی در اولین مولفه یعنی پیش تقویت کننده، که ترکیبی از تقویت کننده های عملیاتی می باشد، مشاهده شده است، یک تقویت کننده ی عملیاتی قابل برنامه ریزی (op-amp) یک جزء کلیدی است (Van Helleputte et al., 2008). Op-amp قابل برنامه ریزی بر اساس تکنولوژی مدار موجود در هوگرورست و هویجسینگ (۱۹۹۶) طراحی شده است. op-amps ارائه شده در برونسکووسکی و شرودر (۲۰۰۷) و میر اوف در هید و همکارانش (۲۰۰۷) از این تکنولوزی برای طراحی خودش استفاده کرده است و با استفاده از تکنولوژی CMOS 0.35 میکرومتر با یک ولتاژ منبع ۳٫۳ ولتی اجرا شده است. آن سطح بزرگی را اشغال می کند و مصرف قدرت بالایی دارد. بنابراین، ولتاژ منبع op-amps قابل برنامه ریزی، در حدود ۱ ولت حفظ می شود تا اتلاف قدرت کمتر را تضمین کند. اما، توپولوژی های مدار آنالوگ مرسوم، با این ولتاژ منبع کار نمی کند چون مقیاس اندازه ی دستگاه پایین آورده شده است، ولتاژ آستانه ی ترنزیستورهای MOS کاهش نیافته بود چون این می توانست منجر به افزایش جریان های نشتی شود. این مساله می تواند با استفاده از MOSFETS های متناوب مانند MOSFETs های دارای دریچه ی شناور، MOSFETS های تحریک شده و DTMOS تسکین داده شود. یک op-amp V1.2 در یک فرایند CMOS 0.35 میکرونی (Riiisanen-Ruotsalainen et al., 2000) با استفاده از ترنزیستورهای ورودی با دریچه ی شناور یکپارچه می شود تا محدوده ی ولتاژ حالت معمول ورودی op-amp را افزایش دهد اما به خاطر تقسیم خازنی، سیگنال ورودی ضعیف می شود که منجر به بهره ی ضعیف تر، محصول پهنای باند با بهره کمتر و خصوصیات نویز پایین تر می شود. در ترنزیستورهای تحریک شده ی بزرگ (Lasanen et al., 2000)، محدودیت های ولتاژ آستانه ناپدید می شود اما دستگاه ها مقدار هدایت عرضی پایین تر داشتند که به دلیل توان (ظرفیت الکتریکی) کنترل کمتر لایه ی تخلیه ، توان پارازیتی بزرگتر که فرکانس را پایین تر می آورد و ورودی بالاتر نویز ارسالی می باشد. طراحی op-amp بر اساس ترنزیستورهای ولتاژ آستانه ی داینامیک (DTMOS)، برای کاربردهای زیست پزشکی ولتاژ پایین و توان پایین ترجیح داده می شود (Achigui et al., 2003). بدنه و دریچه ی این ترنزیستور DTMOS در پتانسیل مشابه، دارای بایاس می شود. بنابراین، آن قادر به پردازش سیگنال های نوری با دامنه ی پایین می باشد و برای ساخت بخش گیرنده ی front end دستگاه فلوتومتری طیفی مادون قرمز نزدیک (NIRS) مورد استفاده قرار گرفته است. از طرف دیگر، op – amp به نویز لرزشی حساس می باشد (۱/f)، که آن را در کاربردهای زیست پزشکی با فرکانس پایین بسیار مضر می سازد که به دلیل طیف قدرت و آفست ولتاژ آن می باشد. بنابراین، توانایی برنامه ریزی op amp باید به طوری بهره برداری شود که، اگر کاربردهای پزشکی مختلف در یک تراشه با هم ترکیب شده باشند، هم در حالت نویز پایین و هم در حالت توان پایین کار کند. یک کاربرد از این نوع از op amp در آنالوگ front end یک سیستم روی تراشه (SoC) برای دستیابی به سیگنال زیست پزشکی مورد استفاده قرار گرفته بود (Hafkemeyer et al., 2007). برای مثال، op amp در وضعیت نویز پایین برای ثبت های EEG حساس یا حالت قدرت پایین برای کاربردهای ECG متحرک برنامه ریزی می شود. برخلاف op ampsهای مرسوم، op amps های قابل برنامه ریزی مزیت وفق پذیری با خصوصیات سیستم را دارند. در این مقاله، یک op amp قابل برنامه ریزی بهبود یافته که بر عیب op ampsهای مرسوم غلبه کرده بود، پیشنهاد شده است و با استفاده از تکنولوژی CMOS 130 نانومتری با ولتاژ منبع ۱٫۲ ولتی اجرا شده است. بخش ۲، عملیات پایه ی و اجرای طراحی ساختار op amp موجود را توصیف می کند. ساختار op ampهای بهبود یافته و طراحی آن ها در بخش ۳ توصیف شده است. نتایج شبیه سازی در بخش ۴ ارائه شده است و نتایج در بخش ۵ ارائه شده اند.
Description
Currently, there is an ever-growing demand for low-power and low-noise mixed signal integrated circuits, in portable medical systems. So, a high level of system integration is required to handle bio-potential system. The most commonly observed bio-potentials used for medical diagnoses are monitored non-invasively with electrodes placed on the surface of the skin (Lee et al., 2006a, 2006b). These include the Electrocardiogram (ECG), which monitors heart activity; the Electromyogram (EMG), which monitors other muscle activity in the body, and the Electroencephalolgram (EEG), which monitors electrical activity in the brain via weak potentials on the scalp. Several approaches are carried out to integrate analogue front-end using CMOS technology. Generally, the integrated chip offers a relatively low-cost product for both ECG and EEG signals, but with high-power consumption. To overcome this problem, programmable components with adjustable trade-off between noise and power dissipation are embedded in the same chip. Since the main noise source in the recording chain of bio-medical signals is found in the fi rst component, i.e., the preamplifi er, which consists of operational amplifi ers, a programmable operational amplifi er (op-amp) is a key component (Van Helleputte et al., 2008). Programmable op-amps are designed based on the circuit topology in Hogervorst and Huijsing (1996). The op-amps presented in Bronskowski and Schroeder (2007) and Meier auf der Heide et al. (2007) uses this topology for its design and is implemented using 0.35 µm CMOS technology with a supply voltage of 3.3 V. It occupies large area and has large power consumption. So, the supply voltage of programmable op-amps is kept around 1 V to ensure less power dissipation. But, conventional analogue circuit topologies will not work with this supply voltage because as the device sizes are scaled down, the threshold voltage of MOS transistors does not reduce, as this could cause increased leakage currents. This problem can be alleviated by using alternate MOSFETS like fl oating gate MOSFETs, bulk driven MOSFETs and DTMOS. A 1.2 V op-amp has been integrated in a 0.35 µm CMOS process (Riiisanen-Ruotsalainen et al., 2000) using fl oating-gate input transistors to increase the input common mode voltage range of the op-amp, but owing to the capacitive division, the input signal gets attenuated resulting in poor gain, less gain bandwidth product and inferior noise properties. In bulk driven transistors (Lasanen et al., 2000), the threshold voltage limitation disappears but the devices have lower transconductance value because of smaller control capacitance of the depletion layer, larger parasitic capacitance that lowers frequency and higher input referred noise. Op-amp design based on dynamic threshold voltage (DTMOS) transistors is preferred for low voltage, low power bio-medical applications (Achigui et al., 2003). The body and the gate of this DTMOS transistor are biased at the same potential. So, it is capable of processing ultra low-amplitude light signals and is used to build the front-end receiver part of a Near Infrared Spectrore Flectometry (NIRS) device. On the other hand, the op-amp is susceptible to fl icker noise (1/f), which makes it very harmful in low-frequency bio-medical applications because of its power spectrum and voltage offset. So, the programming ability of the op-amp should be exploited to work in both low-noise mode and low-power mode if different medical applications are combined in one chip. An application of this type of Op-amp is used in the analogue front-end of a System on Chip (SoC) for bio-medical signal acquisition (Hafkemeyer et al., 2007). For example, the op-amp is programmed in low-noise mode for sensitive EEG recordings or low-power mode for mobile ECG applications. In contrast to conventional op-amps, programmable op-amps have the advantage of being adaptable to system specifi cation. In this paper, an improved programmable op-amp, which overcomes the disadvantages of conventional op-amps, is proposed and implemented using 130 nm CMOS technology with 1.2 V supply voltage. Section 2 describes the basic operation and design implementation of the existing op-amp architecture. The improved op-amp’s architecture and its design are discussed in Section 3. Simulation results are provided in Section 4 and conclusions are presented in Section 5.
