Arquitectura integrada de consumo eficiente para aplicaciones de registro de señales neurales sensibles al CMRR (Current efficient integrated architecture for common mode rejection sensitive neural recordings)
Julián Oreggioni
PhD thesis from Universidad de la República (Uruguay). Facultad de Ingeniería. IIE - 2018
Advisor: Fernando Silveira
Co-advisor: Angel Caputi
Research Group(s): Microelectronica (gme)
Department(s): Electrónica

Resumen

La adquisición en tiempo real y el análisis de señales del cerebro, ya sea mediante electroencefalografía “vestible”, registros invasivos o implantados, para realizar acciones (interfaz cerebro máquina), o entender aspectos del funcionamiento del cerebro, se ha vuelto científica y tecnológicamente posible. En este contexto, el objetivo de esta tesis es darle soporte a aplicaciones basadas en el registro de señales neurales donde el bajo ruido, la eficiencia en términos de consumo de corriente y tener una alta relación de rechazo al modo común (CMRR por sus siglas en inglés) son las características más importantes del sistema de adquisición. Esta tesis propone una novedosa arquitectura para preamplificadores neurales integrados. La misma es analizada en profundidad, derivando la función de transferencia y las principales ecuaciones de diseño. Además, se presenta el análisis detallado de una técnica para bloquear la componente de continua de la entrada y fijar la frecuencia corte inferior sin utilizar pseudo-resistores MOS. La arquitectura en su conjunto, junto con un circuito sencillo y eficiente para el transconductor principal del preamplificador son una de las principales contribuciones de la presente tesis. Un preamplificador neural totalmente integrado fue fabricado en un proceso CMOS de 0.5um alcanzando el estado del arte con una destacada performance en CMRR. Asimismo, se realizaron medidas in-vivo en un pez eléctrico (Gymnotus omarorum). Esto constituye la primera vez que se realiza en Uruguay el test in-vivo de un amplificador neural integrado diseñado localmente. En esta tesis se extendió y aplicó en filtros bicuadráticos pasa-banda la arquitectura previamente desarrollada, especialmente, pero no solamente, para aquellos con entrada diferencial. La nueva arquitectura ofrece una reducción significativa del consumo (hasta el 30%) y/o hace posible el bloqueo de mayores niveles de continua en la entrada (hasta el doble) sin usar capacitores de desacople. Asimismo, se aplicó la novedosa arquitectura al diseño de las diferentes etapas de un front-end analógico para señales neurales, integrado y programable. La comparación entre nuestro front-end y otros trabajos similares en el estado del arte muestra que nuestro diseño presenta los mejores resultados en términos de ruido y CMRR, tiene el mayor valor de ganancia, igualando los mejores valores de NEF reportados. Finalmente, la tesis plantea algunos tópicos a nivel sistema, incluyendo el diseño y la implementación de tres prototipos “punta a punta”’ de sistemas de adquisición de biopotenciales basados en componentes estándar.

Datos adicionales

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