I nte rna t io na l J o urna l o f   Rec o nfig ura ble a nd   E m be dd e d Sy s t e m s   ( I J R E S)   Vo l.   8 ,   No .   2 J u l y   201 9 ,   p p .   1 2 4 ~1 2 9   I SS N : 2 0 8 9 - 4864 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j r es . v 8 . i2 . p p 1 2 4 - 1 2 9          124       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JR E S   Desig n and  i m ple m en o f  high g a in and  low  nois e neural  a m plifi er using   co m pe nsa tion te chn iques       N. M a nik a n da n,  S.M urug a n a nd ,   K . K a rupp a s a m y   De p a rtme n o f   e lec tro n ics   a n d   I n s tru m e n tatio n ,   B h a ra th iar U n iv e rsi ty ,   Co i m b a to re ,   T a m il n a d u ,   I n d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J an   2 9 ,   2 0 1 9   R ev i s ed   A p r   2 3 ,   2 0 1 9   A cc ep ted   Ma y   11 ,   2 0 1 9       El e c tro e n c e p h a lo g ra p h y   is  r e f e r   t o   re c o rd   th e   e lec tri c a sig n a w it h   re sp e c to   b ra in   a c ti v it y   a n d   it re li a b le  EE G   in f o r m a ti o n ,   u si n g   th is  to   d iag n o sis   d iso rd e r   a n d   tu m o rs.  Ho w e v e t h e   sig n a is  v e ry   d iff icu lt   to   c a p tu re   a n d   p ro c e ss in g   d u e   to   so   m a n y   p a ra m e ter.  M a in ly   th is  si g n a is  v e r y   lo w   r a n g e   th a f ro m   0 . 1   t o   1 0 0 μv   in   a n d   it s   b a n d w id th   ra n g e   f ro m   1 Hz   to   1 0 0   Hz .   S o   th e   sig n a h a a m p li f ied   b y   u sin g   li n e a a n d   a c c u ra te  d ig it a p ro g ra m   a m p li f ier   (P GA ).   T h is  a m p li f ier   h a b e e n   d e sig n e d   b y   u sin g   F irst  sta g e   a m p li f ier  w it h   g a in   o 1 20   d w i th   lo w   o u tp u n o ise .   T h e   P GA   is   c o n sists   o f   OP A M P th e   P G A   c h a n g e   f ro m   1 0   d B   to   1 2 0   d B.   In o rd e   t o   o p t im iz e d   th e   li n e a a n d   g a in   a c c u ra c y   a   n e w   st ru c tu re   re siste a rra y   is  p ro p o se d   h ig h   g a in   P G A .   He n c e   th e   sim u late d   re su lt   h a sh o w n   it   is  p ro m isin g   to   e x h ib it   a n   a m p li f ier  w it h   h ig h   p e rf o rm a n c e   b io m e d ica a p p li c a ti o n .   K ey w o r d s :   B io m ed ical   C MO S   EEG   Hig h   g ai n   a m p l if ier   P GA     Co p y rig h ©   2 0 1 9   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   N.   Ma n ik a n d an   Dep ar t m en t o f   E lectr o n ics a n d   I n s tr u m e n tatio n ,     B h ar ath iar   U n iv er s it y ,   C o i m b ato r e,   T am il n ad u ,   I n d ia .   E m ail:  m a n ik a n d an . s ta2 5 @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N     T h ter m   m ed ical  i n s tr u m en s to o d   f o r   s i m p le  h a n d - h el d   in s tr u m e n t s   u s ed   b y   p h y s ician s   f o r   o b s er v in g   p atien ts ,   e x a m in i n g   o r g a n s ,   m ak i n g   s i m p le  m e asu r e m en t s ,   o r   ad m i n is ter i n g   m ed icatio n .   T h ese   s m al in s tr u m e n ts ,   s u ch   a s   s tet h o s co p es,  th er m o m eter s ,   to n g u d ep r ess o r s ,   an d   f e w   s u r g i ca to o ls ,   ty p icall y   f it  i n to   p h y s icia n s   h an d   b a g .   T o d ay s   m ed ical  i n s tr u m e n ts   ar co n s id er ab l y   m o r co m p li ca ted   an d   d iv er s e,   p r im ar il y   b ec au s th e y   i n co r p o r ate  elec tr o n ic  s y s te m s   f o r   s en s in g ,   tr an s d u ci n g ,   m a n ip u lati n g ,   s to r in g ,   an d   d is p la y i n g   d ata  o r   in f o r m at i o n .   Fu r t h er m o r e,   m ed ical  s p ec ialis ts   to d a y   r eq u e s d et ailed   an d   ac cu r ate  m ea s u r e m e n t s   o f   a   v a s n u m b er   o f   p h y s io lo g ic  p ar a m eter s   f o r   d iag n o s i n g   ill n ess e s   a n d   p r escr ib co m p licated   p r o ce d u r es  f o r   tr ea tin g   t h ese.   As  r es u lt,  t h n u m b er   o f   m e d ical  in s tr u m en ts   a n d   d ev ice s   h as  g r o w n   f r o m   a   f e w   h u n d r ed   g en er atio n   a g o   to   m o r th an   1 0 , 0 0 0   to d ay ,   an d   th co m p lex i t y   o f   th e s in s tr u m e n t s   h a s   g r o w n   at  th s a m p ac e.   T h d escr ip tio n   o f   all  t h e s in s tr u m e n ts   an d   d ev ices  w o u ld   f ill  a n   e n tire   h an d b o o k   b y   it s el f ;   h o w ev er ,   d u to   th li m i ted   s p ac ass ig n ed   to   th i s   to p ic,   o n l y   s elec ted   n u m b er   ar d escr ib ed .   T h is   s ec tio n   o n   m ed ical  in s tr u m e n t s   an d   d ev ice s   n eit h er   r ep lace s   tex tb o o k   o n   th i s   s u b j ec n o r   p r esen ts   th e   m ater ial  i n   t y p ical   tex tb o o k   m an n e r   f e w   tr ad itio n al  b io i n s tr u m e n tat io n   o r   elec tr o en ce p h alo g r ap h y   h av b ee n   o m itted   e n tire l y   b ec au s m o s te x tb o o k s   o n   th is   s u b j ec g iv ex ce llen t   in tr o d u ctio n s   an d   r ev ie w s .   T r an s d u ce r s ,   b io s en s o r s ,   an d   elec tr o d es  ar co v er ed   in   o th er   s ec tio n s   o f   t h i s   Han d b o o k .   T h u s   th is   s ec tio n   p r o v id es  an   o v er v ie w ,   alb eit  an   i n co m p lete   o n e,   o f   r ec e n d ev elo p m e n t s   i n   th e   f ield   o f   m ed ical  in s tr u m e n ts   a n d   d ev ices.   T h u lti m ate  g o al  is   to   i m p le m en b io p o ten tial  ac q u is itio n   s y s te m   t h at  is   co m f o r tab le  an d   in v is ib le   to   ey w it h   lo n g - ter m   p o w er   au to n o m y ,   h i g h   s i g n al s .   T h ai m   i s   n o o n l y   to   i n cr ea s t h p atien ts   q u a l it y   o f   lif b u also   to   ex te n d   d ev ice  ap p licatio n s   to   s p o r ts ,   en ter tai n m e n t,   co m f o r m o n it o r in g ,   an d   s o   o n .   T h b io s ig n al  u s ed   f o r   th ese  s y s te m s   m u s h av h ig h   in p u i m p ed an ce ,   lo w   o u tp u i m p ed an ce ,   lim ited   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t   I SS N:  2089 - 4864       Desig n   a n d   imp leme n o f h ig h   g a in   a n d   lo w   n o is n eu r a l a m p lifi er u s in g …  ( N .   Ma n ika n d a n )   125   b an d w id t h ,   a n d   lo w   p o w er   co n s u m p tio n .   Ad d itio n all y   it  m u s h a v a n   ad eq u ate   g ai n ,   a   h i g h   p o w er   s u p p l y   r ej ec tio n   r atio   ( P SR R ) ,   an d   co m m o n   m o d r ej ec tio n   r atio .   T h m ai n   cir cu it  f o r   an y   b io p o ten tial  s y s te m   i s   in s tr u m en ta tio n   a m p lifie r .   T h e r is   v ar io u s   w a y s   to   d esi g n   i n s tr u m en tatio n   a m p li f ier   [ 2 - 6 ] .   T h p r im ar y   t h i n g   f o r   in s tr u m e n tatio n   a m p li f ier   is   to   h a v C MR R   a s   h ig h   a s   p o s s ib le  to   r ed u ce   th co m m o n   m o d s i g n als  in   lo w   a m p lit u d a n d   lo w   f r eq u e n c y   b io p o ten tial  s ig n al.   T h t er m   i n s tr u m en ta tio n   a m p li f ier   is   p r o p er l y   u s ed   to   d escr ib ca teg o r y   o f   t r u d i f f er en tia l in p u t a m p l if ier s   th at  e m p h a s ize  h i g h   co m m o n   m o d r ej ec tio n   ( C MRR )   an d   ac cu r ac y .   Alth o u g h   b o th   in s tr u m en ta tio n   a m p li f ier s   a n d   d if f er en ce   a m p li f ier s   u s o p   am p s   a s   b asic   ar ch itect u r al  b u i ld in g   b lo ck s ,   th e y   ar e   d is ti n ctl y   d i f f er en t   f r o m   th eir   o p   a m p   co u s i n s .   I n   o r d er   to   ea s e   th e   d y n a m ic  r an g r eq u ir e m en t o f   A D C ,   P GA   is   p lace d   in   f r o n t o f   ADC.  T h d ec o d er   ad j u s ts   th o u tp u g ai n   o f   P GA   to   a n   ap p r o p r iate  lev el  w h ic h   o p ti m izes  t h p er f o r m an ce   o f   A DC .   T h cir cu it  o f   P GA   i s   r ea lized   i n   n eg at iv f ee d b ac k   i.e .   clo s ed   lo o p   ca n   ac h ie v m o r p r ec is g a in   s etti n g   a n d   h i g h er   lin ea r it y .   T h g a in   co n tr o ca n   b r ea lized   b y   v a r y in g   th e   r esis tan ce   o f   th e   i n p u a n d   f ee d b ac k   r esi s to r   ar r ay   [ 7 ] .   T h is   p ap er   i s   o r g an ized   as  f o llo w s .   P ar 2   d escr ib es  th b lo ck   d iag r a m   o f   p r o p o s ed   P GA .   P a r 3   p r esen ts   th d esig n   co n s id er atio n   an d   cir c u it i m p l e m en tatio n .       2.   B ASI AM P L I F I E R E Q U I RE M E NT S   T h b asic r eq u ir em e n t s   th at  b io p o ten tial a m p lifie r   h as to   s atis f y   ar e:    a)   T h p h y s io lo g ical  p r o ce s s   to   b m o n ito r ed   s h o u ld   n o t b in f l u en ce d   i n   an y   w a y   b y   th a m p lif ier     b)   T h m ea s u r ed   s i g n a l s h o u ld   n o t b d is to r ted     c)   T h am p li f ier   s h o u ld   p r o v id th b est p o s s ib le  s ep ar atio n   o f   s ig n al  a n d   in ter f er en ce s   d)   T h am p li f ier   h a s   to   o f f er   p r o tectio n   o f   t h p atien f r o m   an y   h az ar d   o f   elec tr ical  s h o c k     e)   T h am p li f ier   it s el f   h a s   to   b p r o tecte d   ag ain s d a m a g e s   th a m i g h r esu lt  f r o m   h i g h   in p u v o ltag e s   as  t h e y   o cc u r   d u r in g   t h ap p licatio n   o f   d ef ib r illato r s   o r   elec tr o s u r g ic al  in s tr u m en ta tio n   T h i n p u t   s i g n a to   t h a m p li f ier   co n s is t s   o f   f i v co m p o n e n ts :   t h d esire d   b io p o ten tial,  u n d es ir ed   b io p o ten tials ,   p o w er   lin e   i n ter f er e n ce   s ig n al  o f   6 0   Hz   ( 5 0   Hz  in   s o m e   co u n tr ie s )   an d   it s   h ar m o n ics,  in ter f er e n ce   s ig n al s   g en er ate d   b y   t h ti s s u e/ele ctr o d in ter f ac e,   an d   n o is e.   P r o p er   d esig n   o f   th e   a m p li f ie r   p r o v id es r ej ec tio n   o f   lar g p o r tio n   o f   th s i g n al  i n ter f er e n c es.   T h lin f r eq u en c y   i n ter f er en ce   s ig n al  s h o w s   o n l y   v er y   s m all  d i f f er en ce s   in   a m p li tu d e   an d   p h as e   b et w ee n   th t w o   m ea s u r in g   e lectr o d es,  ca u s in g   ap p r o x i m at el y   th s a m p o ten tial  at  b o th   in p u ts ,   an d   t h u s   ap p ea r s   o n l y   b et w ee n   t h in p u ts   a n d   g r o u n d   a n d   is   ca l led   th co m m o n   m o d s i g n al.   Stro n g   r ej ec tio n   o f   t h e   co m m o n   m o d s i g n al  i s   o n o f   th e   m o s i m p o r tan t   ch ar ac ter is tics   o f   a   g o o d   b io p o ten tial  a m p li f ier .   T h co m m o n   m o d r ej ec tio n   r atio   ( o r   C MRR )   o f   a n   a m p li f i er   is   d ef i n ed   as   th e   r atio   o f   t h d if f er en tial   m o d g ain   o v er   th co m m o n   m o d g ain .   As  s ee n   i n   F i g u r 1 ,   th r ej ec tio n   o f   th co m m o n   m o d s ig n al  i n   b io p o ten tial  a m p li f ier   i s   b o th   f u n c tio n   o f   t h a m p lifie r   C MR R   a n d   t h e   s o u r ce   i m p e d an ce s   Z 1   an d   Z 2 .   Fo r   th id ea b io p o ten tial  a m p lif ier   w it h   Z 1 = Z 2   an d   i n f i n it C MRR   o f   t h d if f er en t ial  am p li f ier ,   th o u tp u t   v o ltag i s   th p u r b io lo g ical   s ig n al  a m p li f ied   b y   GD,   t h e   d if f er en tial  m o d g ai n Vo u t= GD· V b io l.  W ith   f i n ite  C MR R ,   t h co m m o n   m o d s i g n al  is   n o co m p letel y   r ej ec ted ,   ad d in g   th i n ter f e r en ce   ter m   G Vc   /C MR R   to   th o u tp u s i g n al .   E v en   in   th ca s o f   a n   id ea d if f er en tia a m p li f ier   w it h   in f i n ite  C M R R ,   th co m m o n   m o d s i g n al  w i ll  n o t c o m p letel y   d is ap p ea r   u n le s s   t h s o u r ce   i m p ed a n ce s   ar e q u al.   T h co m m o n   m o d s i g n al  Vc  ca u s es c u r r en t s   to   f lo w   th r o u g h   Z 1   an d   Z 2 .   T h r elate d   v o ltag d r o p s   s h o w   d i f f er en ce   i f   t h e   s o u r ce   i m p ed a n ce s   ar u n eq u a l,  th u s   g e n er ati n g   d i f f er e n tia l si g n a l a th a m p li f ier   i n p u w h ic h ,   o f   co u r s e,   i s   n o r ej ec ted   b y   th d i f f er en ti al  a m p li f ier .   W ith   a m p li f ier   g ain   GD  a n d   in p u i m p ed a n ce   Z i n ,   th o u tp u t   v o ltag o f   th a m p li f ier   is :                                                     (                           )     T h o u tp u o f   a   r ea b io p o te n t ial  a m p li f ier   w ill   al w a y s   co n s is o f   t h d esire d   o u tp u t   co m p o n en t   d u e   to   d if f er en t ial  b io s i g n al,   a n   u n d es ir ed   co m p o n e n t d u e   to   i n co m p lete   r ej ec tio n   o f   co m m o n   m o d in ter f er en c e   s ig n al s   as   f u n c tio n   o f   C M R R ,   a n d   an   u n d esire d   co m p o n e n d u to   s o u r ce   i m p e d an ce   u n b alan ce   allo w i n g   s m al p r o p o r ti o n   o f   co m m o n   m o d s i g n al  to   ap p ea r   as  d if f er e n tial  s ig n al  to   th a m p l if ier .   Si n ce   s o u r ce   i m p ed an ce   u n b alan ce s   o f   5 , 0 0 0   to   1 0 , 0 0 0   ,   m ai n l y   ca u s ed   b y   elec tr o d es,  ar n o u n co m m o n ,   an d   s u f f icien t   r ej ec tio n   o f   lin e   f r eq u en c y   i n t er f er en ce s   r eq u ir es  m i n i m u m   C M R R   o f   1 0 0   d B ,   th in p u i m p ed an ce   o f   t h a m p li f ier   s h o u ld   b at  least   1 0 9     at  6 0   Hz  to   p r ev en s o u r ce   i m p ed an ce   u n b ala n ce s   f r o m   d eter io r atin g   t h e   o v er all  C MR R   o f   t h a m p l if ie r .   State - of - t h e - ar t b io p o ten tial a m p li f ier s   p r o v id C MR R   o f   1 2 0   to   1 4 0   dB .   A   t y p ical  d e s ig n   o f   t h v ar io u s   s ta g e s   o f   a   b io p o ten tial  a m p li f ier   is   s h o w n   i n   Fig u r 2 .   T h elec tr o d es  w h ic h   p r o v id th tr an s itio n   b et w ee n   th io n ic  f lo w   o f   cu r r e n ts   in   b io lo g ical  tis s u an d   th e   elec tr o n ic  f lo w   o f   cu r r en i n   th a m p li f ier ,   r ep r esen t   c o m p le x   elec tr o ch e m ical  s y s te m   t h at  is   d escr ib ed   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   20 89 - 4864   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t     Vo l.  8 ,   No .   2 J u ly   2 0 1 9 :   1 2 4     1 2 9   126   else w h er e   in   t h is   h a n d b o o k .   T h elec tr o d es  d eter m i n to   lar g e x te n t   th e   co m p o s it io n   o f   t h m ea s u r ed   s ig n al.   T h p r ea m p li f ier   r ep r e s en t s   th m o s cr itical  p ar o f   th a m p li f ier   its el f   s i n ce   it  s et s   th s ta g f o r   th e   q u alit y   o f   t h b io s i g n al.   W it h   p r o p er   d esig n ,   t h p r ea m p li f ie r   ca n   el i m in ate,   o r   at  lea s m i n i m ize,   m o s t   o f   th e   s ig n al s   in ter f er in g   w it h   t h e   m ea s u r e m e n o f   b io p o ten t ials .   I n   ad d itio n   to   elec tr o d p o ten tial s   an d   elec tr o m ag n etic  i n ter f er e n ce s ,   n o is e g e n er ated   b y   th a m p li f ier   an d   th co n n ec tio n   b et w ee n   b io lo g ical  s o u r ce   an d   a m p li f ier h as  t o   b tak en   in to   ac co u n w h en   d esi g n in g   t h p r ea m p li f ie r .   T h to tal  s o u r ce   r esis ta n ce   R s ,   i n clu d i n g   th r esis ta n ce   o f   th b io lo g ical  s o u r ce   an d   all  tr an s itio n   r esis ta n ce s   b et w ee n   s ig n a l   s o u r ce   an d   a m p li f ier   i n p u t,  ca u s e s   th er m al  v o lta g n o is w it h   r o o t m ea n   s q u ar ( r m s )   v al u e :                                             w h er k =B o ltz m an n   co n s ta n t,  T = ab s o lu te  te m p er atu r e,   Rs= r esi s ta n ce   i n   ,   an d   B = b an d w id t h   i n   Hz.   A d d itio n al l y ,   th er e   is   th e   i n h er en a m p li f ier   n o is e.   I co n s i s ts   o f   t w o   f r eq u en c y - d ep e n d en co m p o n en ts ,   t h e   in ter n a v o lta g n o is s o u r ce   Vn   a n d   th v o ltag d r o p   ac r o s s   t h s o u r ce   r es is ta n ce   R s   ca u s ed   b y   a n   i n ter n al   cu r r en n o is e   g e n er ato r   i n .   T h to tal  i n p u t   n o i s f o r   t h a m p lif ier   w it h   b a n d w id th   o f   B w = f2 f 1   i s   ca lc u lated   as th s u m   o f   it s   th r ee   i n d ep en d en t c o m p o n en ts :                                                                           Hen ce   eli m i n ate  all  t h n o i s s ig n al  h i g h   s ig n al  to   n o is r ati o n   th u s   r eq u ir t h u s o f   v er y   lo w   n io s e   a m p li f ier   is   ex h ib itio n   o f   v o ltag n o is e   a m p l if ier   , t h en   u s i n g   h ig h   p ass   an d   lo w   p ass   f ilter   eli m i n ate   in ter f er e n ce   s i g n al  f r o m   t h e lectr o d p o ten tial  an d   p r ea m p lif ier   p o ten tia o f f s et  a n d   r ed u ce   n o i s a m p li f er   a m p lit u d b an d   w id th   s in ce   t h b io s ig n al  a m p lit u d d is o r d er   o r   atten u ated   b y   h i g h er   s h ar p - cu tti n g   l in ea r   p h ase  f ilter   h av e   to   b u s ed .   d u to   t h eir   s m o o th   tr an s f er   f u n ctio n .   Sep ar atio n   o f   b io s i g n al   an d   in ter f er en ce   is   in   m o s t   ca s es   in co m p lete  d u to   t h o v er lap   o f   t h eir   s p ec tr a.   T h is o latio n   s tag s er v es  t h g al v an ic  d ec o u p lin g   o f   t h p atien f r o m   t h m ea s u r in g   eq u ip m en an d   p r o v id es  s af e t y   f r o m   ele ctr ical  h az ar d s .   T h is   s tag e   also   p r ev e n t s   g al v an ic   cu r r en ts   f r o m   d eter io r atin g   t h s ig n al - to - n o is e   r atio   esp ec iall y   b y   p r ev e n ti n g   g r o u n d   lo o p s .   Var io u s   p r in ci p les  ca n   b u s ed   to   r ea lize  th is o latio n   s tag e.   An alo g   is o l atio n   a m p li f ier s   u s e   eith er   tr an s f o r m er ,   o p tical,   o r   ca p ac itiv co u p ler s   to   tr a n s m i th s ig n al  t h r o u g h   th i s o lati o n   b ar r ier .   Dig ital   is o latio n   a m p li f ier s   u s v o lt ag e/ f r eq u en c y   co n v er ter   to   d ig itize  t h s i g n al  b ef o r it  i s   tr an s m itted   ea s il y   b y   o p tical  o r   in d u ctiv co u p ler s   t o   th o u tp u f r eq u e n c y / v o ltag co n v er ter .   T h m o s i m p o r ta n ch ar ac ter is tics   o f   an   is o latio n   a m p lifie r   ar lo w   lea k ag c u r r en t,  is o latio n   i m p ed a n ce ,   is o latio n   v o ltag ( o r   m o d e)   r e j ec tio n   ( I MR),   an d   m ax i m u m   s a f is o latio n   v o lta g e.                 Fig u r 1 .   T h n eu r al  a m p li f ier   co n n ec tio n   Fig u r 2 .   I m p ed an ce   m atc h i n g   w it h   a m p l if ier       3.   E L E C T RO DE   P o ten tial  d if f er en ce   at  th e   ce l lu lar   m e m b r a n m a y   b i n   th r an g w it h i n   5 m a n d   1 0 0 m V .   T h i s   p o ten tial  d i f f er e n ce   i s   ca lled   t h r esti n g   p o ten t ial  r est in g   p o t en tial  in s id t h ce ll   is   n e g ati v co m p ar in g   to   t h e   en v ir o n m e n r esti n g   p o ten tial   o f   n er v an d   m u s cle  ce lls   i s   ty p icall y - 7 0 m to - 8 5 m th ex ch a n g ch ar g e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t   I SS N:  2089 - 4864       Desig n   a n d   imp leme n o f h ig h   g a in   a n d   lo w   n o is n eu r a l a m p lifi er u s in g …  ( N .   Ma n ika n d a n )   127   ca r r ier s   in   elec tr ical  cir cu i ts ,   e lectr o n s   ar ch ar g ca r r ier s i n   th b o d y ,   io n s   ar ch ar g ca r r ier s   co n n ec t s   to   th e   s u r f ac o f   t h b o d y   ( s k i n ,   m u co u s   m e m b r a n es)  o r   o n /i n   t h e   o r g an   in s id t h b o d y   m o d el  o f   t h i n ter f ac e   f o r   b etter   u n d er s tan d i n g   o f   th i n ter f ac elec tr o d e tis s u e,   P ass i v elec tr ical   ch ar ac ter is t ics  o f   th s k i n - elec tr o d in ter f ac s tr iv to   ex p r ess   b y   id ea elec tr ic  c o m p o n e n ts   with   i n te n p ar a m eter s R esi s ta n ce C ap ac it y .   T h is   m o d el   ca n   b u s ed   f o r   m e as u r e m en elec tr o d es  i n   li m ited   f r eq u en c y   r an g e.   W h e n   p er s o n   is   co n n ec ted   w it h   elec tr o d es  f o r   an   E E r ec o r d i n g .   T h in p u t s   to   th a m p lif ie r   w ith in tr i n s ic  i m p ed an ce s   f r o m   elec tr o d es/l ea d s   an d   s k i n ,   an d   p o w er   li n d is p l ac e m en t c u r r en t s   an d   t h eir   p ath w a y s .   Fo r   o u r   s ce n a r io   C SU P   is   n eg li g ib le.   T h a m p lifie r   is   b atter y   p o wer ed .   C E 1   an d   C E 2 ,   ar p ar asit ic  ca p ac ita n ce s ,   t h at   ar is d u to   t h e   s h ield   co n d u c to r   ar o u n d   th d if f er en tia elec tr o d es;  h o w e v e r ,   P L I   co u p lin g   f r o m   C C 1   an d   C C 2   to   th in n er   co n d u cto r s   ar r ed u ce d   d u to   th is   s h ie ld .   B y e m p lo y i n g   ac ti v d r iv en   s h ield s ,   th p ar asit ic   ca p ac ita n ce s   C E 1   an d   C E 2   w ill  b m i n i m ized   ( d etailed   in   p ar I I I   B ) ,   th u s   d is p lace m e n cu r r en ts   id C 1 ,   id C 2 ,   an d   id SUP   ar e   n eg l ig ib le.   Ho w ev er ,   it  m u s b n o ted   th at  n eg lecti n g   t h ese   d is p lace m e n tc u r r en t s   d o   n o af f ec t h co m m o n   m o d v o ltag ( V C )   d er iv ed   in   s u b s eq u e n eq u at io n s ,   s i n ce   it   is   b ased   o n   th to tal  d is p lace m en cu r r en id 2   as   d er iv ed   in   ( 3 ) .   Sin ce   d is p lace m en t c u r r en t s   f lo w in g   i n   an d   o u t o f   th b o d y   m u s t e q u ate:     i d =i d1 +i d2     w h er id 2   is   f lo w in g   f r o m   t h e   b o d y   to   th e   co m m o n   ( C OM M)   elec tr o d e.   T h cu r r en d i v i s io n   b et w ee n   C I S O   an d   C b   is   u s ed   to   ex p r ess   id 2   as f o llo w s :                                                                                               w h er e   Z R L is   th i m p ed a n ce   b et w ee n   th e   VC   n o d a n d   cir cu it   g r o u n d .   I f   t h C OM elec tr o d w as c o n n ec ted   to   cir cu it  g r o u n d ,   th e n :     Z R L D =                       T h C OM elec tr o d d r iv en   b y   th R L cir cu it.  T h R L cir cu it  co n s i s ts   o f   an   i n v er tin g   a m p li f ier   w ith   g ain   w it h   co r n er   f r eq u en c y   s et  at  1 . 5   k Hz.   T h R L cir cu it  i s   d r iv e n   b y   t h s ig n al  c o m m o n   to   b o th   t h e   d if f er e n tial  e lectr o d es  ( k n o w n   as   th e   co m m o n   m o d v o lt ag e) .   B y   d r iv i n g   t h C OM M   elec tr o d w it h   a n   in v er ted   V C   w it h   g ai n   ( G+ 1 ) ,   th ef f ec ti v i m p ed an ce   Z R L s i m p l i f ie s   to   th f in a l V is ;                                                         I n   co m m o n l y   u s ed   b io - s ig n al   m ea s u r e m e n ts ,   s u ch   as  E C G /EE G/E MG ,   b an d w id t h   r ed u c tio n   f r o m   th e   R FI   f ilter   d u to   lar g in p u i m p ed an ce s   is   n eg li g ib le  s i n ce   th r eq u ir ed   s ig n a b an d w id t h   is   < 1   k Hz.   I n   co n tr ast,  th s ig n al  b an d w id t h   o f   E V estG  r ec o r d in g s   s p an s   u p   to   1 0   k Hz,   h e n ce   w ill   b af f e cted   b y   b a n d w id th   r ed u ctio n . Seco n d l y ,   w ith   t h e   tr ad itio n al  m et h o d ,   C an d   C C   ca p ac ito r s   n ee d   to   b in   th e~ p r a n g to   m ai n tai n   h i g h   i m p ed a n ce   at  t h elec t r o d ter m in a ls ,   t h er ef o r lar g r esis to r s   ( >5   k Ω )   ar r eq u ir ed   to   r ea lize   th d esire d   co r n er   f r eq u en cie s .     T h th er m al  n o is o f 9 n p Hz  f r o m   5   k Ω   r esis to r   is   clea r l y   u n ac ce p tab le  f o r   th is   w o r k ,   s in ce   t h e   s tr in g en lo w   n o is r eq u ir e m e n ts   w o u ld n b ac h iev ab le  i f   th tr ad itio n al  R FI  f ilter   n et wo r k   w as  e m p lo y ed .   W ith   th aid   o f   t h p r o p o s e d   R FI  f ilter   to p o lo g y   t h f o l lo w i n g   w er ac h iev ed L ar g e   m is m a tc h ed   in p u t   i m p ed an ce s   w ill   h a v e   n o   e f f e ct   o n   t h R FI   co r n er   f r eq u en c ies.   I i s   p o s s ib le   to   s et   R at   5 6   Ω ,   th at   h a s   a n   in s i g n i f ican tl y   s m all  t h er m al  n o is e   0 :9 6   n Vp Hz  co n tr ib u tio n ,   s i n ce   th er i s   n o   s tr ict  r estr ictio n   o n   t h v al u e s   C an d   C C   to   s atis f y   t h e   r eq u ir ed   R C   v alu e.   T h ca p ac itan ce s   C an d   C C   w er th er e f o r s et  at  1   n an d   5 . 6   n r esp ec ti v el y   to   o b tain   a ~2 0 0   k Hz  cu o f f   f r eq u e n c y ,   w h il ac co u n ti n g   f o r ~5 0   Ω   o u tp u i m p ed an ce   o n   ea c h   s id o f   th p ar alleled   h i g h   i m p ed an ce   b u f f er s .       4.   DE S I G NE O F   AM P L I F I E R   T h d esig n   o f   h i g h   g ai n ,   lo w   p o w er ,   g e n er al  p u r p o s o p   a m p   w it h   th s tr u ct u r al  s i m p li cit y   o f   t h e   class ical  W id lar   ar ch itect u r e.   T h p r o p o s ed   o p   am p   s tr u ctu r ap p lies   co m p o s ite  ca s co d co n n ec tio n s   i n   b o t h   th i n p u t   s ta g a n d   th e   s ec o n d   s tag e   to   ac h ie v a   g ai n   o f   ar o u n d   1 2 0   d B   w it h   lo w   p o w er   c o n s u m p tio n .   T h o p   a m p   e m p lo y s   th tr ad itio n al  t w o   g a in   s tag e s   f o llo w ed   b y   n ea r   u n it y   g ai n   b u f f er   s ta g e.   W ith   o n l y   t w o   g ai n   s tag e s ,   s i m p le  Mil ler   co m p en s atio n   w it h   ca p ac ito r   as  s m all   as 3 . 5   p F c an   b u s ed .   T h is   a p p r o ac h   o v er co m e s   s o m li m i tatio n s   o f   co n v en t i o n al  C M OS  ca s co d es  b y   e n h an ci n g   t h g ai n   w it h o u u s i n g   ad d itio n al  b ias   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   20 89 - 4864   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t     Vo l.  8 ,   No .   2 J u ly   2 0 1 9 :   1 2 4     1 2 9   128   cir cu its   an d   r eq u ir e s   o n l y   a   s m all  b ia s   h ea d r o o m   v o lta g e.   A   lar g er   o u tp u v o lta g s w in g   i s   t h en   av ai lab le   u s i n g   co m p o s ite  ca s co d a m p lif ier   s ta g es   th a n   w i th   co n v en tio n al   ca s co d es.  A s   d i s cu s s ed   in   t h f o r m er   ch ap ter ,   lo w   p o w er   o p   a m p   c an   b d es ig n ed   b y   o p er atin g   t h MO tr a n s i s to r s   in   th e   s u b th r esh o ld   o r   w ea k   in v er s io n   r e g io n .   W h i le  th c o m p o s i te  ca s co d p r o v id es  h i g h   o u tp u i m p ed an ce   at  lo b ias  cu r r en w h il e   s etti n g   s o m d ev ice s   i n   th s u b th r es h o ld   r eg io n   alo n g   w i t h   th o t h er   ac tiv r e g io n   tr a n s is to r s ,   lo w   p o w er   d is s ip atio n   a n d   h i g h   g ai n   ca n   b ac h iev ed   at  th s a m ti m e.   F ig u r 3   s h o w s   s ec o n d   s ta g ca s ca d a m p lifie r .           Fig u r 3 .   Seco n d   s tag ca s ca d a m p lifie r       T h ca s ca d o f   a m p li f ier   w h ic h   is   a m p   t h v o lt  s ig n al  in   th r an g f r o m - 1   to   0 . 7   v   t h e   li n e ar   r an g i s   o b v io u s l y   t h r a n g e   o f   i n ter es in   an   o p   a m p .   I d en o te s   t h e   v o lta g r an g o v er   w h ich   th e   t w o   in p u ts   ca n   b e   d r iv en   to g et h er   ev e n   t h o u g h   o n l y   o n in p u ter m in a o f   t h o p   am p   i s   ac tu al l y   co n n ec ted   with   t h in p u s i g n al   w it h o u ca u s i n g   co m m o n   m o d d is to r tio n .   T h p r o p o s ed   co m p ac h i g h - g ai n   o p   a m p   i s   laid   o u 0 . 2 5   µ m   p r o ce s s   an d   f ab r icate d .   T h s l e w   r ate  a n d   1 s ettli n g   ti m e   h av e   b ee n   m ea s u r ed   w h e n   t h o p   a m p   i s   i n   th e   u n i t y - g ai n   f ee d b ac k   co n f ig u r a tio n   w ith   0 . 5   s tep   in p u t.  Mo r th an   h al f   o f   th p o w er   c o n s u m p tio n   is   d u to   th o u tp u s o u r ce   f o llo w er .   T h in p u s tag a n d   s ec o n d   s tag d i s s ip ated   litt le   p o w er   b ec au s o f   t h lo w   cu r r en w ea k   in v er s io n   o p er atin g   r e g io n .   Us in g   s i m p le  Mill er   ca p ac ito r   c o m p e n s atio n ,   C is   r eq u ir ed   to   b e   o n l y   3 . 5   p F.  T h m icr o g r ap h   o f   th o p am p   is   th e   ar ea   o f   th a m p li f ier   is   ab o u 0 . 0 5   m m 2   an d   it  co u ld   b r ed u ce d   m o r i f   n ec e s s ar y .   T h s i m u lated   g ain   o f   t h is   o p a m p   is   1 2 0   d B .   Sch e m atic  o f   ca s ca d am p li f ier   i s   as   s h o w n   in   F ig u r 4 .   Gr ap h ic  o f   ca s ca d a m p lif ier   i s   as s h o w n   in   Fi g u r 5 .               Fig u r 4 .   Sch e m atic  o f   ca s ca d a m p lifie r   Fig u r 5 .   Gr a p h ic  o f   ca s ca d am p li f ier           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t   I SS N:  2089 - 4864       Desig n   a n d   imp leme n o f h ig h   g a in   a n d   lo w   n o is n eu r a l a m p lifi er u s in g …  ( N .   Ma n ika n d a n )   129   5.   CO NCLU SI O N     T h is   w o r k   r ep o r ts   lo w   p o wer ,   h ig h   g ain   o p   a m p   d e s ig n   in   0 . 2 5   µ m   C MO p r o ce s s   u s i n g   t h e   co m p o s i te  ca s co d co n n ec tio n .   T h p r o p o s ed   o p   am p   p r o d u ce s   an   o p en   lo o p   g a in   a b o v o n m ill io n .   T h d esig n   cir cu it i s   te s ted .   I h as  s h o w s   a   g ai n   o f   ab o u t   1 1 7   d B .   I n   ad d itio n ,   t h co m p o s i t ca s co d a m p li f ier   r eq u ir es  co m p e n s atio n   ca p ac ito r   o f   o n l y   3 . 5   p w h ich   a llo w s   a   v er y   s m al o p   a m p   c ell.   T h is   d esi g n   i s   in te n d ed   f o r   ap p licatio n s   w h er s i m p lici t y   o f   la y o u t,   s m all  c ell  s i ze ,   an d   lo w   p o w er   ar i m p o r tan t.  T h p o w er   s u p p l y   v o lta g ca n   b f u r th er   r ed u ce d   f r o m   2   v o lt  to   1 . 5   v o lt  d u to   th e   f r ee d o m   i n   b iasi n g   t h e     s u b th r e s h o ld   d ev ice s .       RE F E R E NC E S     [1 ]   H.  L e e ,   K.  N.  L e u n g ,   a n d   P .   M o k ,   A   d u a l - p a th   b a n d w id th   e x ten sio n   a m p li f ier  to p o lo g y   w it h   d u a l - lo o p   p a ra ll e l   c o m p e n sa ti o n ,   IEE J .   S o li d - S t a te Ci rc u it s ,   v o l.   3 8 ,   n o .   1 0 ,   p p .   1 7 3 9 1 7 4 4 ,   Oc t.   2 0 0 3 .   [2 ]   B.   S h e m - T o v ,   M .   o z a k ,   a n d   E.   F ried m a n ,   A   h ig h - sp e e d   CM OS   o p - a m p   d e sig n   tec h n iq u e   u sin g   n e g a ti v e   m il ler   c a p a c it a n c e ,   P ro c e e d in g o f   th e   2 0 0 4   1 1 th   IEE In ter n a ti o n a C o n fer e n c e   o n   El e c tro n ics ,   Circ u it a n d   S y ste m s,  p p .   6 2 3 6 2 6 ,   De c . 2 0 0 4 .   [3 ]   E.   W a terh o u se , ―Ne w   h o rizo n i n   a m b u lato ry   EE G   m o n it o ri n g , ‖  IEE E n g .   M e d .   Bi o l .   M a g . ,   v o l.   2 2 ,   n o .   3 ,   p p .   74 8 0 ,   M a y /Ju n .   2 0 0 3 .   [4 ]   N.M a n ik a n d a n   I n tern a ti o n a Jo u rn a o f   El e c tro n ics   a n d   E lec tri c a En g in e e rin g   V o l.   3 ,   No .   4 ,   A u g u s 2 0 1 5   [5 ]   En z , ―A n a l y sis  o f   th e   lo w - f r e q u e n c y   n o ise   re d u c ti o n   b y   a u to z e ro   tec h n iq u e , ‖  El e c tro n .   L e t t . ,   v o l.   2 0 ,   p p .   9 5 9 - 9 6 0 ,   No v     [6 ]   S z y n o w sk i, ―CM RR an a l y sis o f   i n stru m e n tatio n   a m p li f iers , El e c tr o n .   L e rr . ,   v o l.   1 9 ,   n o .   1 4 ,   p p .   5 4 7 - 5 4 9 ,   1 9 8 3   [7 ]   J.  S z y n o ws k i, ―CM RR an a l y sis o f   in stru m e n tatio n   a m p li f iers , El e c tro n .   L e rr . ,   v o l.   1 9 ,   n o .   1 4 ,   p p .   5 4 7 - 5 4 9 ,   1 9 8 3   [8 ]   P e d ra m M o h se n i,   S t u d e n M e m b e r,   IEE E,   a n d   Kh a li l   Na jaf i,   F e ll o w ,   IEE E(2 0 0 4 ),   A   F u ll y   In teg ra ted   Ne u ra l   Re c o rd in g   Am p li f ier  W it h   DC  In p u t   S ta b il iza ti o n   , IE EE   tra n sa c ti o n s   o n   b io m e d ica e n g in e e rin g ,   v o l.   5 1 ,   n o .   5 ,   m a y   2 0 0 4 ,   [9 ]   K.  D.  W ise (1 9 6 9 ) ,   A   m u lt i - c h a n n e m icro p ro b e   f o b io   p o te n ti a re c o rd in g ,   P h . D.  d isse rtatio n ,   S tan f o rd   Un iv . ,   S tan f o rd ,   CA ,   1 9 6 9 .   [1 0 ]   P .   M .   V a n   P e teg h e m ,   I.   V e rb a u w h e d e ,   a n d   W .   M .   C.   S a n se n (1 9 8 5 ),   M icro - p o w e h ig h - p e rf o r m a n c e   S b u il d in g   b lo c k   f o in teg ra ted   lo w - lev e sig n a p r o c e ss in g , IEE J .   S o li d - S t a te Ci rc u it s ,   v o l.   S C - 2 0 ,   p p .   8 3 7 8 4 4 ,   A u g .   1 9 8 5 .   [1 1 ]   Hw a n g - Ch e rn g   Ch o w   a n d   Jia - Yu   W a n g (2 0 0 7 ),   Hig h   CM RR   in str u m e n tatio n   a m p li f ier  f o b io m e d ica a p p li c a ti o n s   ,   De p a rtm e n a n d   G ra d u a te  In sti tu te  o f   El e c tro n ics   E n g in e e rin g   C h a n g   G u n g   Un iv e rsity ,   Tao - Yu a n   3 3 3 ,   T a iwa n ,   ROC,2 0 0 7   IE EE   [1 2 ]   E.   L .   Do u g las   ,   D.F .   L o v e l y   a n d   D.M .   L u k e (2 0 0 4 ),   A   L o w - V o lt a g e   Cu rre n t - m o d e   In stru m e n tatio n   Am p li f ier   De sig n e d   in   a   0 . 1 8 - M icro n   CM O S   T e c h n o lo g y ,   in   P ro c .   I EE CC ECE ,   p p .   1 7 7 7 - 1 7 8 0 ,   2 0 0 4 .   [1 3 ]     R.   P a ll a s - A re n y   a n d   J.  G .   W e b ste r(1 9 9 1 ),   Co m m o n   M o d e   Re jec ti o n   Ra ti o   f o Ca sc o d e d   Dif f e re n ti a A m p li f ier  S tag e s,‖  IEE tra n sa c t io n   o n   i n st ru me n ta ti o n   a n d   me a s u re me n t ,   v o l.   4 0 ,   n o .   4 ,   p p .   6 7 7 - 6 8 1 ,   1 9 9 1 .   [1 4 ]   M a ry a m   S h o jae i - Ba g h in i,   Ra k e s h   K.  L a l,   Din e sh   K.  S h a rm a (2 0 0 5 ),   A   L o w - P o w e a n d   Co m p a c t   A n a lo g   CM OS   P r o c e ss in g   Ch ip   f o P o rta b le E C G   Re c o rd e rs‖ , 2 0 0 5 , I S S N - 0 - 7 8   0 3 - 9 1 6 2 - 4 ,   IEE E   [1 5 ]   A .   S u b a si,  E.   Erce leb i,   Clas sif ic a ti o n   o f   EE G   si g n a ls  u sin g   n e u ra n e tw o rk   a n d   l o g isti c   re g re ss io n ,     Co m p u t.   M e th o d s   P ro g .   Bi o m e d .   7 8   ( 2 0 0 5 )   8 7 9 9 .     [1 6 ]   I.   G u ler,  E. D.  Ub e y li ,   M u lt icla ss   su p p o rt  v e c to m a c h in e f o EE G - sig n a ls  c las si f ica ti o n ,   IEE T ra n s.  In f .   T e c h n o l .   Bio m e d .   1 1   ( 2 ( 2 0 0 7 1 1 7 1 2 6 .   [1 7 ]   J.  S tas tn y ,   P .   S o v k a ,   A .   S tan c a k ,   EE G   sig n a c la ss i f ica ti o n :i n tr o d u c ti o n   to   t h e   p ro b lem ,   Ra d io e n g in e e rin g   1 2   ( 3 )   (2 0 0 3 )   51 5 5 .   [1 8 ]   S .   P o y h o n e n ,   A .   A rk k io ,   P .   Jo v e r,   H.  H y o t y n ie m i,   Co u p li n g p a irw ise   su p p o rt  v e c to m a c h in e f o f a u lt   c las si f ica ti o n ,   Co n t ro E n g .   P ra c t.   1 3   (2 0 0 5 7 5 9 7 6 9 .   [1 9 ]   F .   Be n im e li ,   K.  S h a r m a n ,   El e c tro e n c e p h a lo g ra m   sig n a c l a ss i f ica ti o n   f o b ra in   c o m p u ter  in terf a c e u sin g   w a v e lets   a n d   su p p o rt  v e c to m a c h in e s,  in ES A N’2 0 0 7   P ro c e e d in g Eu ro p e a n   S y m p o siu m   o n   A rti f icia N e u ra Ne tw o rk s,  Bru g e s,   Be lg iu m ,   2 5 2 7   A p ril ,   2 0 0 7 ,   p p .   3 6 1 3 6 6 .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.