I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   8 ,   No .   3 J u n e   201 8 ,   p p .   1830 ~ 1 8 3 6   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v8 i 3 . p p 1 8 3 0 - 1836          1830       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 JE C E   Low  P o w er CMO S Electroca rdio g r a m  A m p lifie r Des ig n f o Wea ra ble Cardia c Scre e ning       O w   T ze   Weng Su ha ila   I s a a k Y us m ee ra Yu s o f   De p a rt m e n o f   El e c tri c a a n d   Co m p u ter E n g in e e rin g ,   Un iv e rsiti   T e k n o lo g M a lay sia ,   M a la y si a       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   1 0 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   Ma y   2 0 ,   2 0 1 8   A cc ep ted   Ma y   3 0 ,   2 0 1 8     T h e   tren d   o f   h e a lt h   c a re   sc re e n in g   d e v ice in   t h e   w o rld   is   i n c re a sin g l y   to w a rd th e   f a v o o f   p o rtab il it y   a n d   w e a ra b il it y .   T h is  is  b e c a u se   th e se   w e a ra b le  sc re e n in g   d e v ice a re   n o re strictin g   th e   p a ti e n t’s  f re e d o m   a n d   d a il y   a c ti v it ies .   W h il e   th e   d e m a n d   o f   l o w   p o w e a n d   lo w   c o st  b io m e d ica s y ste m   o n   c h ip   is  in c re a sin g   in   e x p o n e n ti a w a y ,   th e   f ro n t - e n d   e lec tro c a rd io g ra m   (ECG a m p li f iers   a re   stil su ff e rin g   f ro m   f li c k e n o ise   f o lo f r e q u e n c y   c a rd iac   sig n a a c q u isit io n ,   5 0 Hz   p o w e li n e   e lec tro m a g n e ti c   in terfe re n c e ,   a n d   th e   larg e   u n sta b le  in p u o f f se ts   d u e   t o   th e   e lec tro d e - sk in   in ter f a c e   is  n o a tt a c h e d   p ro p e rly .   In   th is  p a p e r,   a   CM OS  b a se d   ECG   a m p li f ier  th a su it a b le   f o lo w   p o w e we a ra b le  c a rd iac   s c re e n in g   is  p ro p o se d .   T h e   a m p li fier  a d o p ts   th e   h ig h ly   sta b le  f o ld e d   c a sc o d e   to p o lo g y   a n d   late b e in g   i m p le m e n ted   in t o   RC  fe e d b a c k   c ircu it   f o lo w   f r e q u e n c y   DC   o ff s e c a n c e ll a ti o n .   B y   u sin g     0 . 1 3 µm   CM OS  tec h n o lo g y   f ro m   S il terra ,   th e   sim u latio n   re su lt s   sh o w   th a th is  f ro n t - e n d   c ircu it   c a n   a c h i e v e   a   v e r y   lo w   in p u re f e r re d   n o ise   o f     1 p V /Hz 1/2  a n d   h ig h   c o m m o n   m o d e   re jec ti o n   ra ti o   o f   1 7 4 . 0 5 d B .   It   a lso   g iv e s   v o lt a g e   g a in   o f   7 5 . 4 5 d w it h   g o o d   p o w e su p p ly   re je c ti o n   ra ti o   o f   9 2 . 1 2 d B.   T h e   to tal  p o w e r   c o n su m p ti o n   is  o n ly   3 µW   a n d   th u su it a b le  to   b e   im p le m e n ted   w it h   f u rth e sig n a p ro c e ss in g   a n d   c las sif ica ti o n   b a c k   e n d   f o r   lo w   p o w e w e a ra b le b io m e d ica d e v ice .   K ey w o r d :   Am p li f ier   C MO S   E lectr o ca r d io g r am   Fo ld ed   ca s co d   L o w   n o i s e       Co p y rig h ©   2 0 1 8   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 :   Yu s m ee r az   Y u s o f ,     Dep ar t m en t o f   E lectr ical  an d   C o m p u ter   E n g in ee r i n g ,   Un i v er s iti T ek n o lo g i M ala y s ia ,   8 1 3 1 0 ,   J o h o r   B ah r u ,   J o h o r ,   M ala y s ia.   E m ail:  y u s m ee r az @ u t m . m y       1.   I NT RO D UCT I O N   C ar d io v asc u lar   d is ea s i s   t h n u m b er   o n k iller   d is ea s i n   Ma la y s ia.   Alt h o u g h   s u d d en   ca r d iac  ar r est   is   th m ain   ca u s o f   d ea th ,   t h Ma la y s ia n   a w ar en e s s   o f   to w ar d s   ca r d io v asc u lar   d is ea s is   s till   lo w .   Hav in g   th r ea ten ed   b y   t h ca r d io v ascu lar   d is ea s in   a m o n g   t h m id d le  ag to   o ld   p eo p le  is   v er y   w o r r y i n g   esp ec iall y   w h e n   th e s p eo p le  ar s ta y i n g   alo n o r   h a v n o   r elati v es  s ta y in g   n ea r b y   to   h i m   o r   h er .   W h ile  s u d d en   ca r d iac   ar r est  is   t h m ai n   ca u s o f   d e ath   d u e   to   t h s u d d en   s to p - f u n ctio n i n g   o f   t h h ea r t   [ 1 ] ,   th e   ca s is   ev e n   w o r s t   w h e n   th p atie n is   s ta y i n g   alo n w h er n o b o d y   is   a w ar o f   th p atien t’ s   m o r talit y .   T o   r ed u ce   th r is k   o f   f atalit y ,   co n tin u o u s   m o n ito r in g   o f   t h elec tr o ca r d io g r a m   ( E C G)   s i g n al  a n d   a n al y z in g   t h h ea r r ate  v ar iab ilit y   ( HR V)   is   d esire d   in   p u b lic  co m m u n it y   f o r   ea r l y   p r ev en tio n   as  w ell  as  e m er g e n c y   tr ea t m en o f   s er io u s   h ea r t   d is ea s es.  He n ce ,   it  is   i m p o r tan to   m a k co m p le te  ca r d iac  s cr ee n in g   s y s te m   o n   c h ip   ( So C )   th at  i s   s u itab le  to   b u s ed   w i th   t h w ea r ab le  d ev ices a n d   in ter n et  o f   t h i n g s   ( I o T ) .   T h tr en d   an d   d em a n d   in   t h e   h ea lth   ca r d ev ice s   is   i n cr ea s in g   to w ar d s   m o r p o r tab ilit y   an d   less   p atien m o b ilit y   r estrictio n   as  co m p ar ed   to   th p r ev io u s   y ea r ,   esp ec iall y   in   t h is   er w h er t h e m er g in g   o f   I o T   is   v er y   p r o m i s in g   i n   n ea r   f u t u r e.   I n   th l ast  f e w   d ec ad es,  th in tr o d u ctio n   o f   f u l s y s te m   o n   s ilico n   ch ip   ( So C )   h a s   i n tr o d u ce d   th e   w o r ld   to   th lo w   p o w er   s m a ll  s ize  d ev ices,  w h ic h   h as  b ee n   e v o lv ed   to   to d ay s   u ltra   lo w   p o w er   w ea r ab le  d e v ice.   W ith   t h ad v an ce m e n o f   co m p le m e n tar y   m etal   o x id s e m i co n d u cto r   ( C MO S)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Lo w   P o w er C MOS   E lectro ca r d io g r a A mp lifi er De s ig n   fo r   W ea r a b le  C a r d ia S creen in g   ( Ow   Tz Wen g )   1831   tech n o lo g y ,   t h i s   So C   h as  e n a b led   th i m p le m e n tatio n   o f   b i o m ed ical  s i g n a ac q u i s itio n   a n d   p r o ce s s in g   s u c h   th at  t h ca r d iac  s ig n al  m o n ito r in g .   T h ex is ti n g   o n lead   E C f r o n t - e n d   a m p li f ier s   ar v er y   p r o n to   n o is y   e n v ir o n m e n s u c h   as  5 0 Hz  p o w er lin m ag n etic  f ield   in ter f er en ce ,   ca u s in g   th s ig n al  is   b ein g   i n ter f er ed   w i th   t h p o w er lin n o is [ 2 ] - [ 5 ] .   As  t h h ea r s i g n al   is   lo w   f r eq u en c y   s i g n a l,  f l ick er   n o is e   at  lo w   f r eq u e n c y   is   also   v er y   p r o m i n en in   th e   cir cu it  o u tp u t.  L ar g a n d   u n s tab le  in p u o f f s et s   d u to   i m p ed an ce   b et w ee n   elec tr o d es  an d   s k i n   ca u s es  th e   a m p li f ier   to   b s at u r ated   ea s il y .   T h ese  n o is a n d   o f f s et   ar n o s u itab le  to   b u s ed   f o r   wea r ab le  m o n ito r in g   s y s te m   i m p le m e n tatio n .   [ 2 ] [ 4 ] ,   [ 5 ] .   T h er ef o r e,   lo w   n o is e   an d   lo w   p o w er   a m p li f ier   cir cu it  is   r eq u ir ed   f o r   f u tu r r ea lizatio n   o f   So C   E C m o n i to r in g   s y s te m .   T h is   p ap er   p r o p o s ed   f r o n t - en d   E C G   a m p lifie r   b y   u s in g   s tan d ar d   0 . 1 3 µm   C MO S tec h n o lo g y   f r o m   Si lter r w it h   p o w er   s u p p l y   o f   1 . 2 V.       2.   CIRCU I T   I M P L E M E NT A T I O N   E C s ig n al  is   s y s te m atic  el ec tr ical  s ig n al  th at  is   g en er ate d   b y   th h ea r m u s c le  to   tr ig g er   th h ea r p u m p i n g   ac ti v it y   o r   th ca r d iac  cy cle  r h y t h m icall y   an d   p r ec is el y .   T y p ical  ca r d iac  s i g n al   s tr en g t h   is   r an g ed   b et w ee n   5 µ to   8 m w h ile  i ts   f r eq u e n c y   i s   r an g ed   at  0 . 0 5 Hz  to   2 5 0 Hz.   T h is   w o r k   f o cu s es  o n   d esi g n i n g   f r o n t - en d   C M OS  a m p li f ier   cir cu it  th a is   ca p ab le  to   d etec t h is   w ea k   E C s i g n al  w h i le  ac h iev in g   lo w   p o w er   an d   lo w   n o is cir c u it  p er f o r m an ce .   Sev er al  co n s id er atio n s   ar co u n ted   in to   th a m p li f ier   d esig n   i n   o r d er   t eli m i n ate  t h n o is s u c h   as  t h tr an s is to r s   th r e s h o ld   b iasi n g   a n d   cir cu it  ap p r o ac h   to   g et  h ig h es co m m o n   m o d r ej ec tio n   r atio   ( C MR R ) .     2 . 1 .   Su bthre s ho ld  b ia s ing   Su b t h r esh o ld   b ias in g   o f   t h tr an s i s to r s   ca n   r ed u ce   t h tr a n s i s to r   n o is a n d   t h p o w er   co n s u m p tio n   a s   th m in i m u m   o p er atin g   v o lt ag ca n   b ac h ie v ed   [ 6 ] .   I n   f ac t,  it  is   g etti n g   m o r atte n tio n   i n   b io m ed ical  a m p li f ier   r esear ch   i n   r ec en ti m es  d u to   th ab ili t y   to   d esi g n   u ltra - lo w   p o w er   s e n s o r s   an d   a m p li f ier s   f o r   lo w   f r eq u en c y   ap p licatio n s   [ 7 ] ,   [ 8 ] .   Su b - th r e s h o ld   eq u at io n   f o r   tr an s co n d u cta n ce   i n   s u b - th r es h o ld   r eg io n   i s   s h o w n   in   E q u atio n   ( 1 ) .                                        ( 1 )     E q u atio n   ( 1 )   s h o w s   t h at  th tr an s co n d u cta n ce   o f   th e   tr an s is t o r   is   lin ea r l y   p r o p o r tio n al  to   t h b iasi n g   cu r r en I D   r ath er   th a n   p r o p o r t io n al  to   s q u ar r o o I D .   T h u s ,   lo w er   cu r r en ca n   b u s ed   to   ac h iev t h s a m a m o u n t o f   tr a n s co n d u cta n ce   an d   g ai n   o f   t h a m p li f ier   lead in g   to   lo w   p o w er   d esig n .   E q u atio n   ( 2 )   s h o w s   t h d r ain   cu r r en o f   t h tr an s is to r   in   s u b th r es h o ld   o p er atio n   w h er I DO   is   th e   cu r r en w h en   V T .   T h cu r r en is   d ir ec tl y   p r o p o r tio n al  to   th asp ec r atio   o f   t h tr an s is t o r ,   as  s i m ilar   to   t h e   tr an s i s to r   o p er atio n   in   s atu r at i o n   r eg io n ,   s h o w n   i n   E q u atio n   ( 3 ) .                                       (         )                   ( 2)                                                          ( 3 )     2 . 2 .   Desig t o po lo g y   Fo ld ed   ca s co d o p er atio n al  a m p li f ier   w a s   u s ed   as  th i n p u t   s ig n al  a m p li f ier   d esi g n   to p o lo g y .   T h is   i s   b ec au s f o ld ed   ca s co d e   to p o lo g y   ac h ie v es   s i n g le  p o le,   s tab le  p h ase  m ar g in ,   an d   h ig h er   s w i n g   w h il e   m ai n tai n in g   t h s a m e   g ai n   a s   t h tele s co p i ca s co d a m p li f ie r   to p o lo g y   [ 9 ] .   T h f o ld ed   ca s co d am p li f ier   ca n   also   ab le  to   ac h iev lo w   p o wer   co n s u m p tio n   a n d   lo w   n o is d esig n   [ 1 0 ] ,   [ 11 ] .   P MO tr an s i s to r   w a s   u s ed   as   th in p u tr an s is to r s   b ec au s i ca n   ac h ie v h i g h er   C M R R   an d   lo w er   f lic k er   n o is s in ce   th f l ick er   n o is i s   in v er s el y   p r o p o r tio n al  w i t h   t h s ize  o f   th tr a n s i s to r   [ 1 2 ].   Fig u r e   1   s h o w s   th e   p r o p o s ed   f o ld ed   ca s co d e   o p er atio n al  a m p li f ier   w it h   s elf - b ias in g   ci r cu it .   T h is   d esig n   u s es   P MO a m p lifie r   as  t h i n p u a n d   t h m o d if ied   cu r r en t   m ir r o r   to   eli m i n ate  t h e x tr t h r esh o ld   v o ltag u s ed   in   th h ea d r o o m .   T h d esig n   p ar a m eter s   w a s   s tar ted   b y   allo ca ti n g   b i asin g   cu r r en to   th e   b r an ch es  o f   th tr a n s i s to r s .   A f ter   t h at  th m i n i m u m   d r ai n - to - s o u r ce   v o lta g o r   o v er d r iv v o lta g o f   t h e   tr an s i s to r s   w a s   s et  b y   u s i n g   in itial  g u e s s   b ased   o n   th allo ca ted   cu r r en to   th b r an ch es.   Hig h er   o v er d r iv e   v o ltag e   w as   g i v e n   to   M bs   an d   M 5,   as  t h e y   n ee d   to   d r iv e   m o r cu r r en co m p ar i n g   to   o t h er   tr an s i s to r s .   Desi g n   p er f o r m a n ce   o p ti m izatio n   w a s   d o n b y   r ep ea ted l y   c h an g i n g   th s izi n g   asp ec r atio   an d   th b iasi n g   c u r r en t   u n t il  th p er f o r m a n ce   s p ec i f ic atio n   is   m e t.   Su b t h r esh o ld   tr an s i s to r   b iasi n g   w as  m ad p o s s ib le  as  th ca r d iac  s ig n al  f r eq u en c y   is   lo w   a n d   th n o is ca n   b r ed u ce d .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  8 ,   No .   3 J u n 2 0 1 8   :   1 8 3 0     1836   1832   T h tr an s is to r s   a s p ec r atio   w er s h o w n   i n   T ab le  1 .   A s   c an   b s ee n   f r o m   t h tab le ,   t h e   tr an s i s to r s   s izin g   r atio   esp ec iall y   n ea r   to   th p o w er   s u p p l y   an d   in p u s e ctio n   ar lar g er   to   el i m in ate   t h f l ick er   n o is e   an d   in cr ea s t h C M R R   as  m u ch   as  p o s s ib le.   L ar g er   in p u tr a n s is to r s   s ize  r atio   i s   al s o   co n tr ib u tin g   to   h ig h er   g ain   d u to   th tr an s co n d u cta n ce   g m   i s   d ir ec tl y   co n tr ib u ti n g   t o   th g ain   o f   t h a m p li f ier .   T h b iasi n g   c u r r en is   s et  to   2 5 0 n A   at  t h v o ltag s u p p l y ,   V DD   o f   1 . 2 V.   Fin all y ,   t h d esi g n ed   tr an s is to r   cir cu it  w as  t h e n   en ca p s u lated   in to   an   o p - a m p   cir cu it  w i th   t h i n s tr u m e n tati o n   a m p li f ier   co n n ec tio n   to   te s its   f u n ctio n a an d   th p er f o r m a n ce   s u ch   a s   g ai n ,   p h ase  m ar g i n ,   C M R R ,   p o w er   s u p p l y   r ej ec tio n   r atio   ( P SR R )   an d   n o is e.       P 3 v I N N 5 v O U T P 4 I b i a s P 2 + - P 1 P 8 P 5 P 7 N 1 N 6 P 1 0 P 9 G n d V D D P 6 N 1 N 3 N 4   Fig u r 1 Self - b iased   f o ld ed   ca s co d am p li f ier   cir cu it       T ab le  1 .   T r an s is to r   Sizin g   R at io   T r a n si st o r   P1   P2 - P3   P4 - P5   P6 - P7   P8   P9   P 1 0   N1 - N2   N3 - N4   N5 - N6   A sp e c t   r a t i o   ( W / L )   10 . 6 / 1   6 0 / 1   3 0 /3   2 0 / 1   2 . 5 / 1   1 . 2 5 / 1   1 5 / 1   1 0 / 1   1 1 / 1   2 . 5 / 1       3.   RE SU L T A ND  D I SCU SS I O N   A ll   r es u lt s   ar s i m u la ted   u s i n g   C ad e n ce   E lectr o n ics  Desi g n   Au to m at io n   ( E D A )   to o ls .   Vir tu o s o   An alo g   De s i g n   E n v ir o n m en t   L   w as  u s ed   f o r   cir cu it  s c h e m a tic  d esi g n   s i m u la tio n   w o r k s   an d   Vir t u o s o   Vis u a lizatio n   &   An al y s i s   XL   w a s   u s ed   to   p lo t th s ig n al  w a v ef o r m s   a n d   m ea s u r e m en t s .     3 . 1 .   T ra ns ie nt  r esp o ns e   T h o u tp u tr an s ien w a v e f o r m   o f   t h e   cir cu it   i s   s i m u lated   to   en s u r t h at  t h e   a m p li f ier   is   w o r k in g   w h e n   t h i n p u t   is   lo w   p ea k - to - p ea k   v o lta g e,   V p - p   a n d   t h s w i n g   i s   n o s at u r ated   w h en   th in p u is   h ig h   V p - p T h s i m u late d   o u tp u t   s w i n g   o f   1 . 0 1 8 V p - p   is   o b s er v ed   w h en   t h i n p u t   v o lta g is   at   m ax i m u m   s w i n g   o f     20 mV p - p ,   m ea n w h i le  o u tp u s w i n g   o f   0 . 6 mV p - p   is   o b tain ed   w h e n   th i n p u v o lta g m a x i m u m   s w in g   is   at     10 µV p - p   Fro m   t h s i m u lat io n ,   it   is   f o u n d   t h at   th e   o p ti m ized   cir c u i ca n   s u cc es f u l l y   r esp o n s e   to   d if f er en t   f r eq u en c y   a n d   a m p li tu d w i th in   t h r an g f r o m   0 . 0 5   Hz  to   2 5 0   Hz  an d   5   µV   to   1 0   m r esp ec tiv el y   w h ic h   m ea n s   ab le   to   s u p p o r th ca r d iac  s ig n al  c h ar ac ter is tic s   r an g e.   T h DC   b iasi n g   p o in i s   s et  at  0 . 6   f o r   m ax i m u m   v o lta g s w in g .     3 . 2 .   AC   r esp o ns e   T h cir cu it  ac   r e s p o n s w as  s i m u lated   u s i n g   t h Mid d leb r o o k s   m et h o d   [ 1 3 ] .   T h is   is   b ec au s th i s   m et h o d   ca n   ac h iev e   s tab le  D C   o p er atin g   p o in a n d   t h lo o p   g ain   ca n   b o b tai n ed   b y   d ir ec tl y   ca lc u lati n g   t h e   v o ltag g ain .   Fi g u r e   2   s h o w s   th s i m u la ted   ac   r esp o n s o f   th a m p li f ier .   T h cir cu it  ca n   ac h ie v g ai n   o f     7 5 . 4 5 d B ,   p h ase  m ar g i n   o f   8 0 . 9 o ,   u n it y   g ai n   b an d w id t h   ( GB W )   o f   6 6 7 . 5 k Hz ,   an d   - 3 d B   f r eq u en c y   o f     1 2 8 . 8 2 Hz.   T h lo ad   ca p ac ito r   o f   th a m p lifie r   is   1 pF .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Lo w   P o w er C MOS   E lectro ca r d io g r a A mp lifi er De s ig n   fo r   W ea r a b le  C a r d ia S creen in g   ( Ow   Tz Wen g )   1833       Fig u r 2 .   AC   r esp o n s o f   a m p lif ier   cir cu it .   Up p er   g r ap h   s h o w s   th p h a s r esp o n s a n d   lo w e r   g r ap h   s h o w s   t h g ain   r esp o n s e       3 . 3 .   Circ uit  p er f o r m a nce   T h co m m o n   m o d r ej ec tio n   r atio   ( C MRR )   o f   t h cir cu it  i s   d ef in ed   as  t h r atio   o f   th d if f er en tia l   g ain   to   t h co m m o n   m o d g ai n   an d   is   ca lc u lated   b ased   o n   th f o llo w in g   eq u atio n .                                               ( 4 )     Her e,   A i s   t h co m m o n   m o d e   g ai n   an d   A d   is   th d i f f er en tia g ai n   o f   th c ir cu it.  T h co m m o n   m o d e   g ain   s i m u latio n   w a s   o b tai n ed   b y   i n j ec tin g   co m m o n   m o d s ig n al   in to   b o th   a m p li f ier   i n p u a n d   t h o u tp u t   ac   r esp o n s is   m ea s u r ed .   T h m e asu r ed   co m m o n   m o d g a in   i s   - 9 8 . 6 5   d B   a n d   th r esu lti n g   C MRR   i s   1 7 4 . 0 5 d B .   P o w er   s u p p l y   r ej ec tio n   r atio   ( P SR R )   o f   t h a m p li f ier   is   d e f i n ed   as  r atio   o f   th v ar iatio n   o f   s u p p l y   v o ltag e   to   t h a m p li f ier   to   t h e   v ar iatio n   o f   o u tp u v o lta g e   th a m p lifie r   p r o d u ce s .   Du r in g   s i m u lat io n ,   s m all   s in u s o id al  v o ltag e   o f   1 0 m w a s   p lace d   in   s er ies  w it h   t h s u p p l y   v o lta g e   an d   t h r atio   o f   th p o w er   s u p p l y   v ar iatio n   to   th o u tp u v ar iatio n   o f   th a m p l i f ier   is   m ea s u r ed .   T h o b tain ed   P SR R   o f   th a m p li f ier   is   f o u n d   to   b 9 2 . 1 2 d B .   I n p u r ef er r ed   n o is in cl u d es  t h th er m al  n o is an d   f lick er   n o is e.   Ho w ev er ,   th f lic k er   n o is is   m o r e   co n ce r n   d u to   t h E C is   a   lo w   f r eq u e n c y   s ig n al.   Fli ck e r   n o is as  s h o w n   i n   eq u atio n   b elo w   is   i n v er s el y   p r o p o r tio n al  to   th s ize  o f   t h tr an s i s to r .                                                    (5 )     Her e,   K   is   th tr a n s i s to r   f lic k e r   n o is f ac to r .   Fi g u r e   3   s h o w s   th n o is v o lta g m o d el  u s ed   to   d er iv th in p u t r ef er r ed   n o is e.       N o i s y   c i r c u i t + - V n 3 - + V n 1 I n 2 V n , o u t 2 2 2 2 N o i s e l e s s   c i r c u i t - + V n , i n 2 V n , o u t 2     Fig u r 3 I n p u t r ef er r ed   n o is m o d e ll in g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  8 ,   No .   3 J u n 2 0 1 8   :   1 8 3 0     1836   1834   T h in p u t r ef er r ed   n o is f o r   th cir cu it in   Fig u r e   1   ca n   b ex p r ess ed   b y   t h eq u atio n   b elo w .                  (                                                                        )         (     )                      (     )                                                 (     )                                                                                       ( 6 )     Fro m   E q u atio n   (6 ) ,   K n   an d   K p   ar th f lic k er   n o is co e f f icie n ts   f o r   NM OS   an d   P MO S,  r es p ec tiv el y I is   s h o w n   t h at  t h W /L   r atio   o f   th tr an s is to r s   P 9 P 10 N 5 ,   an d   N 6   ar cr itical  in   r ed u cin g   t h f lic k er   n o is as   th f l ick er   n o i s is   in v er s el y   p r o p o r ti o n al  to   th p r o d u ct  o f   t h W   an d   L   o f   th tr a n s i s to r   an d   g m 1,   2   o f   th i n p u t   tr an s i s to r s .   T h L   w as   k ep m i n i m u m   to   en s u r th a t h ca p ac itan ce   e f f ec o f   t h tr a n s is to r   i s   as   les s   a s   p o s s ib le.   Fig u r e   4   s h o w s   th e   in p u r ef er r ed   n o is r esp o n s o f   th cir cu it.  T h n o is was  s et  as  v ar iab le   du r in g   th s i m u lat io n .   I t is o b s er v ed   th at  t h in p u t r esp o n s n o is o f   th cir c u it is   1 . 0 1           .           Fig u r 4 .   I n p u t r ef e r r ed   n o is r esp o n s o f   d esi g n ed   cir cu i t       3 . 4 .   Desig perf o r m a nce  co m pa r is o n     T h s i m u la ted   r esp o n s p er f o r m a n ce   o f   t h d esig n ed   cir cu it  h a s   b ee n   co m p ar ed   w it h   t h p r ev io u s   r elate d   w o r k s .   T ab le  2   s u m m ar izes  t h p er f o r m a n c co m p ar i s o n   b et w ee n   th p r o p o s ed   d esig n   an d   t h e   p r ev io u s   w o r k .   T h is   w o r k   h a s   b ee n   s h o w n   to   i m p r o v C M R R ,   P SR R   a n d   r ed u ce   th n o i s in tr o d u ce d   to   t h f r o n t e n d   a m p li f ier   s y s te m .       T ab le  2 .   P e r f o m a n ce   C o m p ar i s o n   P a r a me t e r   T h i s w o r k   [ 1 0 ]   [ 1 2 ]   [ 1 4 ]   [ 1 5 ]   T e c h n o l o g y   ( µ m)   0 . 1 3   0 . 0 9   0 . 1 8   0 . 1 8   0 . 1 8   S u p p l y   v o l t a g e   ( V )   1 . 2   1 . 0   1 . 8   1 . 8   0 . 9   C M R R   ( d B )   1 7 4 . 0 5   1 3 1   71   1 2 4   1 0 7   P S R R   ( d B )   92   7 0 . 7   n / a   65   n / a   I n p u t   r e f e r r e d   n o i se   ( V / H z 1/ 2 )   1p   1 3 8 n   1 7 . 2 µ   1 6 0 n   0 . 6 8 µ   G a i n   ( d B )   7 5 . 4   48   5 4 . 5   2 0 . 1 2   1 1 6   U G B   ( H z )   6 6 7 . 5 k   1 5 . 3 k   1M   9 0 . 2 5 M   1 0 0 k   P h a se   marg i n   ( d e g r e e )   80   6 9 . 4 6   n / a   n / a   57   P o w e r   c o n su mp t i o n   ( W )   3 µ   2 . 6 µ   5 . 5 1 µ   5 2 0 µ   4 6 . 8 µ       4.   CO NCLU SI O N   lo w   p o w er   a n d   lo w   n o is e   w it h   h i g h   C MR R   a n d   P SR R   ca r d iac  s ig n al  a m p li f ier   i s   p r esen ted   to   i m p r o v th n o is i s s u k n o wn   in   ca r d iac  s i g n a l.  T h a m p lif ier   ac h ie v es  g ai n   o f   7 5 . 4 d B ,   p h ase  m ar g i n   o f   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Lo w   P o w er C MOS   E lectro ca r d io g r a A mp lifi er De s ig n   fo r   W ea r a b le  C a r d ia S creen in g   ( Ow   Tz Wen g )   1835   80 o ,   C MRR   o f   1 7 4 . 0 5 d B ,   P SR R   o f   9 2 d B ,   an d   in p u r e f er r ed   n o is o f   1 . 0 1         .   T h is   a m p li f ier   d esig n   ca n   ac h ie v lo w er   p o w er   co n s u m p tio n   o f   3 µW   w h ic h   is   co m p ar ab le  to   p r ev io u s   w o r k s   a n d   also   s u itab le  to   b e   i m p le m en ted   i n to   So C   d esi g n .       ACK NO WL E D G E M E NT S     Au t h o r s   w o u ld   lik to   ac k n o w led g th f in a n cial  s u p p o r f r o m   R e s ea r ch   U n iv er s it y   g r an o f   th e   Un i v er s iti  T ek n o lo g Ma la y s i u n d er   v o te  n u m b er   Q.   J 1 3 0 0 0 0 . 2 6 2 3 . 1 2 J 1 0   an d   R esear ch   Ma n ag e m e n C e n ter   ( R MC)  f o r   p r o v id in g   an   e x ce ll en t r esear ch   e n v ir o n m e n f o r   th i s   w o r k .       RE F E R E NC E S   [1 ]   " He a rt   d ise a se   a n d   su d d e n   c a rd i a c   d e a th , "   Re tri e v e d   f ro m   ww w . w e b m d . c o m /h e a rt - d ise a se /g u id e /s u d d e n - c a rd iac - d e a th ,   No v   2 0 1 5 .   [2 ]   X .   Ya n g ,   e a l . " De sig n   o f   lo w   p o we lo w   n o ise   a m p li f ier  fo p o rtab le  e lec tro c a rd io g ra m   re c o rd in g   sy ste m   a p p li c a ti o n s,"   in   I EE I n t.   C o n f .   o n   A n ti - C o u n ter feiti n g ,   S e c u rity a n d   I d e n ti f ica ti o n ,   p p .   8 9 - 9 2 ,   2 0 1 1 .   [3 ]   L .   Ge o rg e e a l. ,   " Co n c e p t   d e sig n   f o a   1 - lea d   w e a ra b le/i m p lan tab le  ECG   f ro n t - e n d P o w e m a n a g e m e n t, "   S e n so rs ,   v o l.   1 5 .   n o .   1 1 ,   p p .   2 9 2 9 7 - 2 9 3 1 5 ,   2 0 1 5 .   [4 ]   C.   Na n d a ,   e a l. " A   CM OS  in stru m e n tatio n   a m p li f ier  w it h   lo w   v o lt a g e   a n d   lo w   n o ise   f o p o rtab le   e c g   m o n it o rin g   s y ste m s,"   in   IEE I n t.   C o n f .   o n   S e mic o n d u c t o r E lec tro n ics ,   p p .   5 4 - 5 8 ,   2 0 0 8 .   [5 ]   H.  L iu ,   e a l. " A   d ig it a ll y   tri m m a b le  lo w n o ise   lo w - p o w e a n a lo g   f ro n t - e n d   f o EE G   sig n a a c q u isit io n , "   in   I EE E - EM BS   In t .   Co n f.   o n   Bi o me d ica a n d   He a l th   I n f o rm a ti c s p p .   2 0 8 - 2 1 1 ,   2 0 1 2 .   [6 ]   H.  M o v a h e d i - A li a b a d ,   e a l. ,   " De sig n   o f   a n   ECG   sig n a ls  a m p li f i e w it h   p ro g ra m m a b le  g a in   a n d   b a n d w id th   b a se d   o n   a   n e w   m e th o d   in   p se u d o - re sist o c ircu it s,"   Bu ll .   En v .   P h a rm a c o l .   L if e   S c i. ,   v o l .   4 .   S p l.   n o .   1 ,   p p .   1 3 1 - 1 4 1 ,   2 0 1 5 .   [7 ]   R.   V a d d i,   S .   Da sg u p ta,  a n d   R.   A g a rwa l,   " De v ice   a n d   c ircu it   d e sig n   c h a ll e n g e in   th e   d ig it a su b t h re sh o l d   re g io n   f o r   u lt ra lo w - p o w e a p p li c a ti o n s,"   VL S De sig n , v o l.   2 0 0 9 ,   p p .   1 - 1 4 ,   2 0 0 9 .   [8 ]   G .   Du z e n li ,   e a l. ,   " On   th e   d e sig n   o f   lo w - f re q u e n c y   f il ters   u sin g   CM OS  O TA S   o p e ra ti n g   in   th e   su b th re sh o l d   re g io n , "   M icr o e lec tro n ics   J . v o l.   3 0 .   n o .   1 ,   p p .   4 5 - 5 4 ,   1 9 9 9 .   [9 ]   Z.   Ku n   a n d   W .   Di,   " A   h ig h - p e rf o r m a n c e   f o ld e d   c a sc o d e   a m p li f i e r, "   En e rg y   Pro c e d ia ,   v o l.   1 3 ,   p p .   4 0 2 6 - 4 0 2 9 ,   2 0 1 1 .   [1 0 ]   J.  G .   L a u   a n d   A .   b in   M a rz u k i,   " lo w   p o w e lo w   n o ise   CM OS  a m p li f ier  f o p o rtab le E CG   m o n it o ri n g   a p p li c a ti o n , "   J o u rn a o E n g i n e e rin g   a n d   A p p l i e d   S c ien c e s,  v o l.   9 ,   n o .   1 2 ,   p p .   2 4 4 8 - 2 4 5 3 ,   2 0 1 4 .   [1 1 ]   I.   T o ih ria  a n d   T .   T ix ie r,   " I m p r o v e d   P S RR  a n d   o u t p u v o lt a g e   sw in g   c h a ra c teristic o f o ld e d   c a sc o d e   O TA , "   J o u rn a o E n g i n e e rin g   a n d   A p p l i e d   S c ien c e s,  v o l.   3 ,   n o . 4 ,   p p .   2 5 0 - 2 5 5 ,   2 0 1 5 .   [1 2 ]   F .   M o u lah c e n e ,   e a l. ,   " De sig n   o CM OS  tw o - sta g e   o p e ra ti o n a a m p li f ier  f o EC G   m o n it o rin g   sy ste m   u sin g   9 0 n m   tec h n o l o g y , "   In t.   J o u r n a l   o f   Bi o - S c i.   Bi o - T e c h . ,   v o l .   6 ,   n o . 5 ,   p p .   5 5 - 6 6 ,   2 0 1 4 .   [1 3 ]   R .   D.  M id d leb ro o k ,   " M e a su re m e n o f   L o o p   G a in   in   F e e d b a c k   S y s tem s , "   In t.   J o u rn a o El e c tro n ics ,   v o l.   3 8 ,   n o . 4 ,   p p .   4 8 5 - 5 1 2 ,   1 9 7 5 .   [1 4 ]   S .   Ka rn ik ,   e t   a l . ,   " De sig n   o f   CM OS  in str u m e n tatio n   a m p li f ier  f o ECG   m o n it o rin g   sy ste m   u sin g   0 . 1 8   µm   tec h n o l o g y , "   In t.   J o u r n a l   o f   En g .   Res e a rc h   Ap p l. ,   v o l .   2 ,   n o . 3 p p .   7 0 8 - 7 1 1 ,   2 0 1 2 .   [1 5 ]   X .   Ya n g ,   e a l . " De sig n   o f   lo w   p o we lo w   n o ise   a m p li f ier  fo p o rtab le  e lec tro c a rd io g ra m   r e c o rd in g   sy ste m   a p p li c a ti o n s,"   in   I EE I n t.   C o n f .   o n   A n ti - C o u n ter feiti n g ,   S e c u rity a n d   I d e n ti f ica ti o n ,   p p .   8 9 - 9 2 ,   2 0 1 1 .       B I O G RAP H I E S   O F   AUTH O RS       O w   Tz e   W e n g   re c e i v e d   h is  Ba c h e lo d e g re e   in   El e c tri c a l   E n g in e e rin g   ( El e c tro n ics a n d   M .   E n g .   in   Co m p u ter  a n d   M icro e lec tro n i c   S y ste m   f ro m   Un iv e rsiti   T e k n o lo g M a lay si a   (UT M ),   Jo h o r,   i n   20 1 4   a n d   2 0 1 6 ,   re sp e c ti v e l y H e   i c u rre n tl y   w o rk in g   w it h   In tel  (M a la y sia )   S d n .   Bh d .   H is   re se a rc h   in tere sts f o c u s o n   V L S d e sig n   a n d   CM OS  b i o se n so r.             S u h a il a   Is a a k   r e c e i v e d   h e Ba c h e lo De g re e   in   El e c tri c a a n d   El e c tro n ic  En g in e e rin g   f ro m   Un iv e rsiti   T e k n o lo g M a lay sia   in   1 9 9 8 ,   t h e   M a ste in   S c ien c e   (El e c tro n ic)  d e g re e   f ro m   Un iv e rsiti   P u tra  M a lay sia   in   2 0 0 1 ,   a n d   t h e   P h . d e g re e   in   El e c tri c a a n d   El e c tro n ics   E n g in e e ri n g   f ro m   Un iv e rsit y   o f   No tt in g h a m ,   En g lan d   i n   2 0 1 1 .   He m a jo re se a rc h   in tere sts  a re   h ig h - sp e e d   a v a lan c h e   p h o to d io d e a n d   In P - G a A p h o t o d e tec to d e sig n ,   sim u latio n   a n d   fa b rica ti o n .   In   a d d it io n ,   sh e   is  a lso   w o rk in g   o n   in teg ra ted   li n e a a rra y   p h o to n   c a m e ra   u s in g   F P G A .   Cu rre n tl y ,   sh e   is  in v o lv e d   o n   sp e c tro sc o p y   s y ste m   f o so il   a n a ly sis.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  8 ,   No .   3 J u n 2 0 1 8   :   1 8 3 0     1836   1836       Yu s m e e r a z   Y u s o f   re c e i v e d   th e   B. S .   d e g re e   in   e lec tro n ics   a n d   t h e   M . S .   d e g re e   in   in teg ra ted   d e sig n   e n g in e e rin g   f ro m   Ke io   Un iv e rsity ,   Ja p a n ,   in   2 0 0 2   a n d   2 0 0 4 ,   re s p e c ti v e l y ,   a n d   th e   P h . D.   d e g re e   in   e lec tri c a e n g in e e rin g   a n d   c o m p u ter  sc ien c e   f ro m   Na g o y a   Un iv e rs it y ,   Ja p a n ,   in   2 0 1 1 .   Be f o re   sh e   jo in e d   Un iv e rsiti   T e k n o lo g M a la y sia   (U T M a a   fa c u lt y   m e m b e in   2 0 0 6 ,   s h e   w o rk e d   a a n   R& D   e n g in e e w it h   A lp El e c tri c   M a l a y sia   f o t w o   y e a rs.  S h e   is  c u rre n tl y   a   S e n io L e c tu re w it h   th e   F a c u lt y   o f   El e c tri c a En g in e e ri n g ,   UT M .   He c u rre n in tere sts  in c lu d e   CM OS  DN A   c h ip ,   se m ico n d u c to r   a n d   n e w   m a teria b io se n so rs,  a n d   p o in t - of - c a re   b io m e d ica d e v ice s.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.