Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l. 8 ,  No. 6 ,  D ece m ber 201 8 , pp.  5041 ~ 50 49   IS S N: 20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v8 i 6 . pp 5041 - 50 49     5041       Journ al h om e page :  http: // ia es core .c om/ journa ls /i ndex. ph p/IJECE   A Two C hann el Analo g Front e n d Design  AFE De sign with   Continuous Tim e ∑ - ∆  M odulat or for EC G Sign al       Moham med  A bdul  Raheem 1 ,  K  M anjun atha ch ari 2   1 Depa rtment of  El e ct roni cs  and   C om m unic at ion   Engi ne eri ng,   Mu ffa kham Jah  C o l le ge   of Engineer ing  and   T ec hnol og y ,   India   2 Depa rtment of  El e ct roni cs  and   Com m unic at ion  Engi ne eri ng,   GI TAM Unive rsit y,   Indi a       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Ma r 8 , 2 01 8   Re vised  Ju l   2 3 ,  201 8   Accepte d  Se p 2 , 2 01 8       In  thi s  cont ex t,  the   AF E  with  2 - cha nne ls  is  desc ribe d ,   whic h  has  high   impedanc e  for  l ow  power  appl ic ation  of  bio - m edi cal  el e ct r ic a l  a ct ivit y .   T h e   cha l le nge  in  ob ta ini ng   accurate   rec ordings  of  biomedic a l  sign al s  such  as   EE G/ECG  to  st u d y   the  hum an  bod y   in   rese ar ch  work.   Thi s  pape r  is  t o   propose  Multi - Vt  in  AF E  ci rcu it   design  ca sc a ded  with  CT  modul at or .   Th e   new  arc hitect ur e   is  ant ic ipated  with  two  dissim il ar   input   signal s  fil te r ed  from   2 - cha nne l  to   o ne  m odula tor .   I n  thi s   m et hodo log y ,   the   ampli fie r  is  low   powere d  m ult i - VT  Analog  Fr ont - End  which   consum es  le ss   power  b y   apply ing  dua l  th reshold  volt ag e.  T y p e  - I  ca t ego r y   2  cha nn el   sig nal s  of  the   first  m ode:   50  a nd  150  Hz  amplifi ed  from   AF E  are   giv en  to  2nd   CT  sigm a - del t a  AD C.   Depic t  th e  SN R  and   SN DR   as  6 3dB  and  60dB  respe ctive l y ,   consum ing  the   power  of  11mW.  The   design  was  sim ula te d  in  a  0. 18  u m  standa rd  UM C  CMO S  proc ess  at   1. 8V  suppl y .   T he  AF E  m ea sure d  fre que n c y   response  from   5 0  Hz  to  360  Hz,   depi c t  the   SN R  and  SN DR  as   63dB  and  60dB  respe ct iv el y ,   consum ing   the   power  of  11mW.  The   design  was   sim ula te d  in   0. 1 8  m   standa rd  U MC  CMO S  proc ess  at   1. 8V  supp l y .   Th e  AF E   m ea sured  fre que nc y   r esponse  from   50  Hz  to  3 60  Hz,   progra m m abl e  gai ns   from   52. 6  dB  t o  72  dB,   input   ref err ed  noise  of  3. 5  µV   in  t he  amplifi e r   bandwidt h,   NEF of  3 .   Ke yw or d:   An al og F ront  En d   Con ti nu ou s  Ti m e (CT)    Discrete Ti m e (D T )   Sigm a D el ta  Modulat or   Sign al   N oise R at io ( S NR)   SNDR   Copyright   ©   201 8 Instit ute of   Ad v ance d  Engi ne eri ng  and  Sc ie n ce .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   M.A.  Ra heem ,    Dep a rtm ent o f  Ele c tron ic s   an d  C omm un ic ation   En gin ee rin g,   MJC ET,  Osm a nia Unive rsity , H yde ra bad, In dia.   Em a il : abd ulra heem . m j @g m a il .co m       1.   INTROD U CTION   ADV AN CE S  in  Com ple m ent ary  MOSFET  te chnolo gies  and   lo w  powe re d  integrate d  ci rcu it s  ha ve  stim ulate d  consi der a ble  inter est s  in  wear ab le   gad gets,  a noccu rr e nce   w hi ch  can  pote nt ia ll y  transf ig ure  the   healt hcar e   de vi ces.  Senso r  in te rf ace  is  the   m ai n  par t  in   th e  we ara ble  ga dg et s ,  de sig n  of   w hich  s houl d  m ee t   m any  un c om pr om isi ng   requir e m ents  bo t h  in   dig it al   blo c k  a nd   i n  a nalo g  blo ck .  I n  desig ni ng   AFE  ci rc uits,  th e   corp or al   sig nal s'   natur e  is  of  m uch   con ce rn.   The  am plit ud e  of   the se  sig na ls  ranges  f rom   vo lt s  to  m V   and   t he   fr e qu e ncies  va ry  from   DC  to  a  few  kilo   Hz ,  as  desc ribe d  i n  fig ure   1  [ 1].  T he   sig nals,   the  AF E  sho uld   po ssess  lowest  in put  r efer red  noise ,  reconfi gura ble  ba ndwidt h,   a nd  pro gram m a ble  gai n  to   ac com m od at e  the  we a k  sign al s  a nd   gia nt  dynam ic   range.  F urt her m or e,  the  s kin - el e ct rode  inter fac e  insti gates  a  hi gh   DC  pote nti al   in   an   in put  sig nal   that  s hould  be   m ini m iz ed  by  high  pass   filt r at ion ,  c utti ng - off  f re qu e ncies   belo w  1Hz.  Wh il e,   su c h  a  high - pa ss  filt er  with  e xter nal  capaci tors  a nd   resist ors  can  be  easi ly   i m ple m ented  [2 ] ,  it   is  fu rth er  cost - eff ect ive  to  int egr at e  the  filt er  on - c hip .  S wi tc hed - capaci to r  [3 ]   are  tw o  possible  ap proa ches  that  co uld   give   good  trade - off s  betwee n  pe rfor m ance,  pow er,  an d  area  as   dem on strat ed  in  [4 ] ,  [ 5].  It  is  no te worthy  that   an   appr oach   of  pse udo - resist or  not  only   dim ini sh es  the  area  bu t  al s o  ease  r econfig ur a ble  desig n  of   ba nd - pas s   filt ers  [ 6] - [ 9].   A   ver y  high  va riat ion   of  resis ta nces  c ou l d  be   the  dr a wb ac k  in  e xisti ng  pse udo - resist or s   w hich   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      IS S N : 2088 - 87 08   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 8   :   5041   -   5049   5042   are tun a ble un der   neg at ive a nd posit ive b ia s ed  co nd it io ns . While  workin g on  lo w - volt ag e, it l eads to  a  crit ic a l   DC. In  this,  r ec ognizin g  th e  program m able B E w it h rec onfi gurin g  am plifie r  the  sw it ch  in  four m od es.             Fig ure   1. V oltage a nd freq ue nc y ran ges o f   fa m iliar   physi ologica l si gnal s       Table  1.   Me dic al  Char act erist i cs of the  Fam iliar P hysiolo gy   Para m eter     Sig n al Fr eq u en cy   Stan d ard Sen so r   Electr o r etin o g raph y  ( ERG)      DC  ~  5 0  Hz   Co n tact elec trod e   Electr o en ceph alo g raph y  ( EE G )   DC ~ 15 0  Hz   Scalp  elect rod e   Electr o ca rdio g raph y  ( ECG)   0 .01  Hz  ~ 25 0  Hz    Sk in  electr o d e   Electr o n eu rog raph y  ( ENG )   2 5 0  Hz  ~ 50 0 0  Hz   Su rf ace/need le  electrod e       This  pap e r  is   sect ion e d  as   desc ribe d  he reafter .  Sect io n - II   de picts  a   Propose d  Sy stem   le vel   arch it ect ure  of   AF E  with  Program m able  P ro ce dure.  A n  AF E  with  sig m a - delta   m odulator  is  delin eat ed  in  Sect ion   III.  Re su lt s  from   si mu la ti on   a nd   rel at ed  thou gh ts  a re  f ur nish e d  in   Sect ion   IV .  H ence,  the  c oncl us io ns   are  der ive d  un der Sect io n V.        2.   THE  PROPO SED  ARCH I TE CTUR E  2 -   CHA NN EL   AFE F OR E C G SIGN AL  M ODULATO R   This  pa per   ad dresses  a  chip  that  com pr ise s  a  low  no ise   ( T B - FEA),  a  pro gr am m able  gai n  am plifie r  (P G A )  and   a   10 - bitƩ Δ  (SDM - AD C ).   T he  overall   gain  is  pr og ram m ed  through  the  flip - ov e r - c apacit or  feedbac k  a nd  pro po se d  rec onfi gurin g  i n  th e  PGA.   T his  a ll ow s  t he  c hip  to  offer  F OUR   operati onal   m od es,   ERG, E EG , E CG,  a nd E NG.   The  m ic ro syst e m   fo r  ac qu isi ti on   of  bi o - pote ntia l  is  as  sh own  i n  fig ure  2.   Bi o - sig nals  ar e  a m plifie d  by  AF E  ci rc uits  and   the n  they   are  conver te d  into  dig it al   co de s  by  AD Cs  [ 3] .  In   ad diti on ,  analo g  m ulti pl exer s   with  la r ge  out pu t  c urre nt  ar e  desig ne d  to   sel ect   the  co rr es pondin g  si gn al s  t o  A DC s.  A  t rad e - of f   in  the   m ic ro syst e m   e xists  betwee n  powe r  an d  the   area.  The  rati o  bet ween   c ount  of   AF Es  a nd  A DCs  af fects  the   inclusive functi on i ng.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec & C om p  Eng   IS S N: 20 88 - 8708     A Two  Ch anne l An alog Fr ont En d Desig n A FE D e sig n  wi th C on ti nu ou s   Time ∑ - ∆  …   ( M.A.   Ra hee m )   5043   + _ + _ R B I A S R B I A S L P F L P F A N A L O G   F R O N T   E N D A m p l i f i e r E C G H E A R T   R A T E I N S T R U M E N T A T I O N   A M P L I F I E R S S e c o n d   o r d e r   ∑ - ∆   A D C A m p l i f i e r A N A L O G   M U L T I P L E X E R O N   L P F 1 P G A C L O C K   G E N E R A T O R A N A L O G   M U L T I P L E X E R S A M P L E D   C L O C K S Y S T E M   C L O C K P R O B E   1 P R O B E   2 O U T P U T B I A S I N G   C I R C U I T S C o n t r o l   S w i t c h   B W   &   G a i n C T   A D C   –   2 n d   O r d e r F r o n t   E n d   D i f f e r e n t i a l   A m p l i f i e r     Fig ure   2. P rop os e d  arc hitec tu re  of   2  c ha nn el       2.1.  N oise  Co n trib ut i on   at  A FE desi gn   The  Fli cke r  N oise  1/f  r ed uc ti on   al ways  re m ai ns   a  chall eng e  i n  the  bi o - si gn al   ac qu i sit ion .  T his  pro blem   cann ot   be  avo ide d  c om plete ly  1/f  no ise   e xist  in  al l  the  dev ic es  of   MOS FET  du e  to  thei r  surface   cond ucti on   m echan ism .  Fo r  a   MOS  w orkin g  in  sat ur at io n  r egio n  the  total   flic ker   no ise   powe r  sp e ct ru m   cou l d  be  cal culat e d  a s      g m = √ 2 . m e f f . Cox . W L   . I ds               (1)     i f 2 = a l . q . m f .     ( V gs − Vt ) . I ds L 2 . f                 (2)     The  s pectral  de ns it y for a  MO SFET is  g i ven  from  [ 9] as:     v f 2         = 4 kT 2 3 1 g m +     K f WL C ox f                    (3)     Ther m al             Fli cker   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      IS S N : 2088 - 87 08   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 8   :   5041   -   5049   5044   C M C M C L C L V DD M 2 B M 2 I N P M 3 B M 1 B M 1 M 0 M 4 B M 4 I N N O U T P O U T N M 3 M 4 B C M C M C L C L V DD M 2 B M 2 I N P M 3 B M 1 B M 1 M 0 M 4 B M 4 I N N O U T P O U T N M 3 M 4 B C M C M C L C L V DD M 2 B M 2 I N P M 3 B M 1 B M 1 M 0 M 4 B M 4 I N N O U T P O U T N M 3 M 4 B C M C M C L C L V DD M 2 B M 2 I N P M 3 B M 1 B M 1 M 0 M 4 B M 4 I N N O U T P O U T N M 3 M 4 B P G A P G A S W 2 S W 1       O T A   G m C M C M C L C L V DD M 2 B M 2 I N P M 3 B M 1 B M 1 M 0 M 4 B M 4 I N N O U T P O U T N M 3 M 4 B     Fig ure  3.   (a )   P r opos e d  Bl oc k diag ram  o f  P rogr am m able two   2  c on t ro l s wi tc hes  ( b)   T wo - sta ge   loa d  com pen sat ed OTA       2.2.  A  Tu nabl e Band w id th   Low N oise  A mpli fier i n AF E    In   the  a bove  F igure  2  the  e nt ire  AF E  desig n  f or   bio m edical   LNA .  T he  l oad - c om pen sat ed  am plifie r   of   t wo - sta ge  w as  ch os en   am ongs t  t he,   OTA   du e  t o  it s  pow er - e ff ic ie ncy,  m ini m u m   load  c apacit ance  a nd   rail   to  rail   outp ut  s wing  f or  an  op tim u m   ph ase  m arg in  a nd  G B W .   Fi g ure   3  dep ic ts  the   tw o - sta ge  am plifie r  al ong  with loa d - com pensat ion.      A 0 = g m1   R ou t1   ×   g m5   R ou t2                 (6)     GBW = g m1   . g m5   . R ou t 1   2π C L                 (7)     Wh e re  g mi   is  th e  transc onduct ance  of  the  i th   transist or ,  R outi   is  the  ou t pu t  re sist ance  of  te n th  sta ge  of   t he  OTA.  Fu rt her m or e  it   is  ass um ed,   al l  the  tran sist ors  would  w ork   unde r  t he  sat ur at io n  reg i on.   From   Eq.   (3) ,  we   ob s er ve,   the rm al   no ise   c on tri bu ti on  is  pr opor ti onal   i nvers el y  to  transcon du ct a nce  gm .  Fr om   the  EK V   m od el   the tra ns co nduc ta nce no rm a l i zed  with  resp e ct  to  drai n cu rrent .     g m , St r ong I Ds   =   12 V ef f                   (5)     Hen ce   by  i ncr e asi ng  the  dr ai n  cu rr e nt  I ds   a nd   biasin g  t he  M OS FE T  in   the  weak  in ver si on  re gion  of   oper at ion  the  therm al   noise   su ppre ssio n  is  m axi m iz ed .   The  m os t  of   noise   co ntributi on   will   com e  f ro m   the  inp ut  sign al   of the  first sta ge  of the  am plifi er.             Co n trol Switch   Para m eter   0   ECG Sign al ( Hea rt )   1   Hear t R ate (In d ex  Fing er)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec & C om p  Eng   IS S N: 20 88 - 8708     A Two  Ch anne l An alog Fr ont En d Desig n A FE D e sig n  wi th C on ti nu ou s   Time ∑ - ∆  …   ( M.A.   Ra hee m )   5045   2.3.  M od ul ato r C ir cuit   The  dev ic e   siz ing   W/L  of   i nput  pair  s houl d  be  la r ge  to  op tim iz e  the  no is e  le vel  at   input .  The  OT A  wh ic h  act s  a s  t he  key  c om po nen t  i n  t he  m od ulato r  is   us e d  by  th e  inte gr a tor  a n d  m us t  possess   hi gh  ga in  f or   sm oo th  integra ti on .  The   gen e r al   two - sta ge  a m pl ifie r  con sis ts  of   the  sing le - en de d  diff e re ntial   a m plifie r  hav i ng  high  gain, biasi ng circ uit, com pensat ion  ci rcui t and   t he  sec ond gai n  sta ge , a s sho wn in t he  Fig ur e  4. T he  b asi c  OTA   a rch it ect ur e  inclu des  a  diff e re ntial   a m plifie r  w hich  ha s  hig h  gain  w it h  do m inant  po le .  The  sec ond  sta ge   e m plo ys  a  co m m on   source  a m plifie r.   A  unit y  fo ll ower  with  hi gh   freq uen cy   is  us ed   in  the  thir d  sta ge.   T he   diff e re ntial   a m plifie r  is  usual ly   us ed  as  the  first  sta ge  in  a m pl ifie r  with  diff e re ntial   inp ut  and   si ng le   e nde d  ou t pu t.   T he  se cond  sta ge  is   the  m os t  desira ble  sta ge   f or  a   high   outp ut  s wing  a nd  it   al s o  inc reases   the   gai n.   Althou gh  the  gain  i ncr eases ,   the  ba ndwi dth   re duces  a nd   hen ce   the  desi gn e rs  would  ha ve  to  decide   in  this   trade - off.  To   m ai ntain  the  s ta bili ty   of   the   am plifie r  when  neg at ive  fe edb ac k  is  giv e n,   t he  Com pen sat io n  Ci rcu it  is em pl oyed.        C M C M C L C L V DD M 2 B M 2 I N P M 3 B M 1 B M 1 M 0 M 4 B M 4 I N N O U T P O U T N M 3 M 4 B     Fig ure   4 .   Sc he m at ic  o f  T un a bl e Bandwidt h wit h balance d pse udo - resist or  r e plica s     In   t his  ci rcu i t,  the  loa d - c om pen sat ion   t echn i qu e  is  s econd - ha nd  w hich  is  disti nc t  as  the  com pen sat ion   i n  w hic h  the  c om pen sat or   act   on   t he  ou t pu t  s ign al   afte r  it   ha d  gen e rated  f eedb ac k  si gn al s.  T he   load - com pen sa ti on   is  co nceded  us i ng   a  C c  and   C omm o n - m od e  Fe e dback  (CMFB )  syst e m .  Pr el i m inar y   transients  in  t he   ou t pu t  oc cu r   du e  to  t he  tim e  is  ta ken   by  the  CM FB  ci rcu it   to  be  ef fecti ve  an d  to  bri ng  th e   com m on   m od e  DC  ou t pu t  to  the  desire d  vol ta ge,   half way  san dw ic hed   be tween  the  s uppl y  rail s  in  this  case.  The  gain   of  th e  OT A  was  or i gin at e d   to  be  72  dB  a nd  the  UGB   f or   t his  c onfig ur at io n  w as  25  KH z .  T he   phas e   m arg in  m easur ed  is  73°.  I n  the  schem at ic   o f  OT A,   as  sho wn   in  Fi gure   4 ,  the  bo tt om   c i rcu it   that  consi sts  of   transm issi on - ga te   switc hes   is  CM FB  ci rc ui t,  wh e reas;  t he   two - sta ge   O TA  is  t he  C MOS  ci rc uitry   ab ov e  feedbac k  syst e m .       3.   DISCU SSI ON OF  RES ULTS   The  propose d  arch it ect ure  is  In st ru m ental   analy sis  with   pr act ic al   sim ulati on   on  0.1 8μ m   UMC  CM OS   te ch no l og y  the  resu lt s   are  obser ve d  as  sh ow n  in  th e  above  res pec ti ve  figu res.   T he  in pu t  im ped anc e   has  gr eat   val ue   (> 100GΩ)  E CG  li es  on  ( 3  Hz  -   10  Hz ).   The  i nput  vo lt age  is  10  m   to  100  m V  is  am pl ifie d  with  ch oppi ng  te chn iq ue,   fur ther  am plifie d  with  m ulti - VT  te chn i qu e ,  the  po wer   c on s um ption   of   t his  AFE   In st ru m ental  am pl ifie r  is d e pi ct ed  in t he Pi e  char t.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      IS S N : 2088 - 87 08   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 8   :   5041   -   5049   5046       Fig ure  8. Tra nsi ent Analy sis o f  sig nal  of 0.2   V  a nd freq ue nc y of 5 00  Hz m od ulator       Ta bl e  II .   Perfor m anc e  of   two  d if fer ent Modulator s   Para m eter   Mod e A    Mod e B   Techn o lo g y     0 .18 µ m  C MOS    Su p p ly  Voltag e    1  V    Sa m p lin g  Fr eq u en cy     6 4  kHz    3 2  kHz    Sig n al Ban d wid th     2 5 0  Hz    5 0  Hz    Ov ersa m p lin g  r ati o     128    320    Peak  SNR    6 3  dB     8 5  dB     Dy n a m i c Ran g e    5 8 .5 d B    7 3  dB     Po wer  Co n su m p ti o n     9 9 0  nW   6 8 5  nW   FOM   pJ /step     .17 5     0 .87 8   FOM S   1 3 7 .43   1 2 9 .20       The  gai n  is  52.6   dB  an d  72  dB.  A n  outp ut   no ise   of  Lo w   No ise   AFE  is  si m ulate d  wit h  QPSS  is  sh ow n  in  Fig ure   6.  T he  S NR  m easur e d  S N R,  SNDR,  a nd  EN OB  of  w hole   desi gn   with  f our  dif fer e nt   m od es   of   2n d  orde r  CT  Ʃ - Δ  m od ulator )  A DC  reso l ution   a nd   dyna m ic   ran ge  requ irem ents  are  sh own  in  the  Fig ur e  7  and   Fi g ure  5.   Table III co m par es the ach ie ve d  desi gn  p e rfor m ance w it h  r ecent pr i or  art. C onve ntion al l y, NEF  is use d for c omparis on .           Figure   5. The   ECG si gn al   sa m ple   at  1 00Hz       Fig ure  6.   Gai n and P hase Ma r gin   of a n  am pli fier         Figure   7. S NR  Plots   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec & C om p  Eng   IS S N: 20 88 - 8708     A Two  Ch anne l An alog Fr ont En d Desig n A FE D e sig n  wi th C on ti nu ou s   Time ∑ - ∆  …   ( M.A.   Ra hee m )   5047   NEF  =  Vrm s,   in √ 2   I   tot a l π V t . 4kT . Ba n dw idth               (8)     wh e re  V rm s in   is   the  inp ut - re ferred  noise ,  is  the  total   cur ren t,  is  the  therm al   vo lt age,   and   B W is  th e  band width   of  t he  AFE wit h  c hoppin g  te ch niq ue .U s ually  AFE ci rcu it s att ai n  a N EF of 2. 5  to 10.  T he  co m ple te  la yout  desig n  with  IO  pa d  of   the  2  c ha nn el   AF E   with   m od ulator   i s  s how n  in   Fi g ure   8 .   The  Area  occupied   by   the f il te r  is  209.4 1  µm  × 8 0.2 1  µm  = 0 . 0167  m m 2 .           Fig ure   8 .   Final  Layo ut of  AFE wit h D ual  Si gm a - Delt a   Mod ulato r       Power   r ole  of   the  di ff e ren t   bl ock s   is  s how n  in  Fig ur e  9.  As  see n  i n  Fig ur e ,  m or e  tha n  half   of  t he   powe r  bu dg et   is  ded ic at e d  to   the  diff e ren t  m od e  of   2nd  orde r  CT  Ʃ - Δ  m od ulator.  Th e  ch opping  s w it ch  a nd   cl ock   ge ner at or are  cons um ed  m or e pow e r w hen com par e d t o  am plifie r  du e to  no ise  cons iderati ons.         Fig ure   9 .   P ow e r  Co nsum ption an d dist rib utio n  in  P ie  c har t  of wh ole  desig n       T able I II .   C omparis on of  PRI OR  ART   Para m eter   [ 7 ]   [ 8 ]   [ 9 ]   [ 1 1 ]   This  W o rk   Tech.( μ m )   0 .5   0 .18   0 .8   0 .13   0 .18   Su p p ly  ( V)   2 .8   1 .5   1 .8   1 .2   1   Bias  ( n A)   743   5000   1050   580 a /9 0 2 b   500   Gain  ( d B)   4 0 .9   4 0 .8   41 - 5 0 .5   40 - 83   5 2 .8 - 72   Inp u t  Ref .Nois e(µVr m s )   1 .66   1 .27   0 .98   2 .06   3 .5   HPF ( Hz)   0 .4   0 .5   0 .05 -   0 .4   0 .17   0 .1   LPF  ( KHz )   0 .04 5 - 5 .3   0 .1 - 0 .4   0 .12 0   0 .34 - 7 .5   7 .0   NEF   3 .21   6 .1   4 .6  –   5 .4   3 .28 a /4 .1 b   3 .04         Proga mm able  amplifier  with  switches ,  36% Lo w  Noise  Amplifier  7% out pu t  stage ;  4% Two  Mod es  Mod ulato r , 5 44 % CMFB ;  9% Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      IS S N : 2088 - 87 08   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 8   :   5041   -   5049   5048   4.   CONCL US I O N   In  this  paper,   a  2 - c hannel  ECG  am plifie r  with  a pprop riat e  featu res  for  dr y  a nd  non - co ntact   biopo te ntial   ap plica ti on s  is  presented .  U na ble   to  com par e  t he  com plete   de sign   with  othe r  desi gn  this  pap e r  pro po se d  the  a rch it ect ural   syst e m   le vel  design   w hich  is  s u it able  fo r  bi ome dical   ap plica ti on   ta r geted  t o  ECG  for  10   m V  to  100  m V.   Es pe ci al ly ,  in  this  pap e r  the   m ult i - VT  c oncept  i s  i m ple m ented  in  the  ci r cuit  le vel  wh ic h  re duces   the  powe r  c onsu m ption   a nd   the  gai n  achie ved   by  am plifi er  52. 9dB  an d  72   dB  with  a n  N EF  3. 0,   noise   perf or m ance  is  sat i sfacto ry.  F urt he rm or e,  a no t he r  im po rtant  a ppr oac h  the   tw o  dif fer e nt  2nd  order   CT Ʃ - Δ m od ul at or  t o  im pr ov e the  perform a nce.       ACKN OWLE DGE MENTS   The  aut hors  w ou l d  li ke  to  ex pr ess  t heir  gre at   app reciat io ns  and   gr at it ude   to  Muf fakham   Jah  Coll ege   of  En gi neer in g  a nd  Tec hnology  f or  prov i ding  resea rch  facil it ie s,  te ch nical   suppo rt ,   a nd   re sear c h  env i ronm ent.       REFERE NCE S   [1]   Y.M.  Chi ,   Y.T.  W ang,   Y.  W ang ,   Ch.   Mai er ,  T. P .   Jung,  and  G.   C auwe nber ghs,   “ Dr y   and  non - co nta c t  E EG  sensors   for  m obil e   br ai n - computer   in te rf ac es ” ,   I EE E   Tr ansacti ons  on  Ne ural  Syste ms   an d  Re habi li ta ti on  Engi ne ering ,   vo l .   20,   no .   2 ,   Mar ch   2012   [2]   M.  Steffe n ,   A.  A le ksandrowic z,   a nd  S.  Le onh ard t ,   “ Mobile   noncon ta c t   m onit o ring of he art a nd  lung   ac t ivi t y ” ,   IEEE  Tr ansacti onson   Bi omedi cal   C irc uit s and  S yste ms ,   vol .   1 ,   no .   4 ,   pp .   250 - 257 ,   De c.   2007.   [3]   J.  Kranj e c,   S .   B eguš,   J.  Drnovš ek,   and  G.  Gerš ak,   “ Novel  m ethods   for  non - co nta c t  he art   r ate  m ea surem ent :  A  fea sibi li t y   s tud y” ,  I EEE  Tr ansacti ons on  Instrum ent ati on   and  M e asur eme nt,   vo l .   63,   no .   4 ,   April   2014   [4]   Y.G.  Li m ,   K. K.   Kim ,   and   K.S.  Park,   "ECG  recording  on  a  bed   during  slee p  without   direct   skin - cont a ct " ,   IE EE   Tr ansacti ons on   Bi omedi cal   Enginee ring ,   vol .   54 ,   pp.   718 - 725,   20 07.   [5]   S.   Le onhar d t,   and  A.   Aleksa ndrowic z,   “ Non - cont a ct   ECG   m onit oring  for  aut om oti ve  a ppli c at ion ” ,   5t h   Inte rnational   Su mm er  School and   Symposium on  Me dic a l  Dev i ce s   and  Bi osensor s ,  ISSS - MDBS ,  June   2008 ,   pp.   183 - 185.   [6]   X .X .   Chen,   Y.  L v,   R. R.   Zhe n  Fa ng,   Sh.  H.  Xia,   a nd  H.  Li ,   Li .   Ti a n, “ A  wire le ss   non - cont a ct   ECG  d et e ct i on  s y s te m   base d  on  ca p acit ive   coupl ing ” ,   I EE E   14th Inte rn ati onal  Con fe ren ce   on   e - Hea lt h   N et work.   [7]   W .   W at ta nap an it ch ,   et   a l.,  “ An  ene rg y - eff ic i e nt  m ic ropower   neur al   re cor di ng  amplifi er ” ,   IEE E  Tr ans.   o n   Bi omedi cal   C irc uit s and  S yste ms ,   vol .   1 ,   pp .   136 - 147,   June   2007.     [8]   S.  Kao,   e t  al.,  “ A  1. 5V  7. 5µW   progra m m abl e  gai n  amplif ie r  fo r  m ult ipl e  b iomedical  signa l  a c quisit ion” ,   IE EE  Bi omedi cal   C irc uit s and  S yste ms   Confe ren ce ,   20 09,   pp .   73 - 76 .     [9]   T.   Den ison,  e t  a l. ,   “ A  2µW   100 nV/rt  Hz  chopp e r - stabi lized   instr um ent at ion  ampl ifi er  for  chr on ic   m ea surem ent   of   neur al fi el d  po tentia ls” ,   IEEE J.   of  Soli d - State  Ci rcuit s ,   vo l. 42, p p.   2934 - 2945 ,   D ec .   2007.     [10]   T.   Yos hida ,et   al.,   “ A  high - li n earit y   low - noise  a m pli fie r  with  v a ria bl e  bandwidth  for  neur a l  recording  s y stems ” ,   Japane se  J.  of   A ppli ed   Phy si cs ,   v ol.   50 ,   pp .   1 - 4 ,   April  2011.       [11]   Christophe r  J.  Mandic ,   Deb ashish Gangopa dh y a y   and  David  J.  Alls,  “   A  1. 1µ W  2. 1µV RMS  Input  Noise  Chopper - stabi lized   Am pli fie r   for  Bio - m edi c al   Appl ic a tions ”,   Circu it s   and  Syste ms   ( ISCAS) ,   2012  I EE E  Inte rnat io nal   Symposium on   20 - 23  May   2012,   Seoul ,   South   Korea   [12]   Y.M.  Chi,  T . P.  Jung,  and  G.   Ca uwenbe rghs,  “ Dr y - cont a ct   and  n oncont a ct biopo t ent i al   el e ct rod es:  m et hodologica l   rev ie w” ,   I EEE  R ev i ews  in   Bi ome dic al   Engi n ee rin g ,   vol .   3 ,   2010   [13]   Y.   Ch.   Chen ,   B.   Sh.  Li n,   and  J.  Sh.  Pan,   “ Novel  non - cont a ct   dr y  el e ct rode   wi than ada pt ive   m ec h ani c al   design  fo r   m ea suring  EE G  in  aha ir y   si te ” ,   I EE E  Tr ansacti o ns  on  Instrum ent ati on  and  Me asu rement ,   vol .   64 ,   no.   12,   pp.   3361   –   3368,   Dec .   20 15.   [14]   Y.M.  Chi,  Ch.   Maie r,  and  G .   C auwe nber ghs,  “ Ultra - high  input   impedanc e ,   low  noise  integra te d  amplifi er   for  no n - cont a ct   biopoten ti al   sensing ” ,   IE EE   Journal  on  E merging  and  Sel ec t ed  Topics  in  Circui tsand   Syst ems ,   vol.   1,   no.   4,   Dec .   2011.   [15]   F.  Rum m ens,   S.  Rena ud  and  N .   Le wis,  “ CMO S  diffe ren ti a l  neur al   amplif ie r  with   high  input   impe danc e ” ,   The  13 t h  IEE E   Inte rnat io nal  NEW   Circuit s and  Syste ms   ( NEWCA S)   confere nce ,   June  2015 ,   pp.   1 - 4.   [16]   P.  Mons urro,   S.  Pennisi,   G.  Sco tti,  and   A.  T r ifi l etti,   “ Inve r ti ng  c lo sed  loop  amplifier  ar chi t ec tur e  w it h  red u ce d  g ai n   err or and  high   in put  impedan ce ” ,   IEE E   Inte rnat io nal  Symposium  on  Circui ts   and   Syste ms   ( ISCAS ) ,   Ma y   2006.   [17]   N.  Verm a,   A.  Shoeb,   J.  Bohorquez ,   J.  Daws on,   J.  Gutta g,   and  A.  P.Cha ndra kasa n,   “ A  m ic ro - power  EE G   ac quisit ion  SoC   with  int egr a te d  f ea tur e  ext ra ction   proc essor  for  a  chr onic   sei zur e  det e ct ion  s y st em ” ,  IEEE   J.   Soli d - Stat e   Circuits ,   v ol.   45 ,   no .   4 ,   pp .   804 – 816,   Apr.   2 010.   [18]   L.   Fa y ,   V.  Misr a,   and  R.   Sarp eshka r,   “ A  m ic rop ower   elec tro ca rd iogra m   amplifier ” ,   I EE E  Tr ansac ti on  B iomedi ca l  Circui tand   System ,   vol .   3 ,   no .   5 ,   Oct.   2009 .   [19]   S.  Ha  et   al. ,   “ Inte gra te d  ci r cu it s  and  el e ct rod e  int erf ac es  for   Noninvasive   ph y siolog ic a l  m onit oring ” ,   IEEE  Tr ansacti ons on   Bi omedi cal   Enginee ring,   vol .   61 ,   no.   5,   pp.   1522 - 1537,   Ma y   2014 .   [20]   H.F.  Achigui ,   M.  Sawan,   C. J. B.   Fa y om i,   “ A  1  V  Low  Po wer,   Low  Noise  DTMO S   base d  NIRS   Front - End  Rec e ive r ” ,   in  Proc.   W MSCI,   Jull y   2005.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec & C om p  Eng   IS S N: 20 88 - 8708     A Two  Ch anne l An alog Fr ont En d Desig n A FE D e sig n  wi th C on ti nu ou s   Time ∑ - ∆  …   ( M.A.   Ra hee m )   5049   [21]   Qu   Ruo y uan,   Li  Tong,   Li   Xi ao,   XuM ingl u,   Che n  Yue y ang ,   W a ng  Xinghua,   “ W ire l ess  Neura l  Acquisit ion  S y s tem  Design” ,   20 13  3 5 th Annual  In te rn at ion al   Conf ere n ce   of   th e  I EE E   E ngine er ing  in   M edi c ine   and  B iolog y   Societ y .   [22]   A.  Fazl iYekna m i  and  A.  Alvandpour,   “ A  0. 5 - V  250 - NW   65 - dB   SN DR   Pass ive   Δ Σ  Modulat or  for  Medic al   Im p la nt   Devic es” ,   in  Pro c.   I EEE  Int ern a tional S y m . Ci rcu i t s a nd  S y s te m s, M a y   2013,   pp.   2 010 - 2013.   [23]   M.A.   Rah ee m ,   K.   Manjunatha a cha ri ,   and   Arifu ddinsohel .   “ A  Design  of  2 nd   Ord er  DT   Sigm a - Delt a   Modulat or   fo r  Medic a l  Im pla n t s” ,   in   Proc.   IE E E  Prime Asia, De c  2015, 978 - 1 - 50 90 - 0136 - 1/15/ $3 1. 00  ©2015   IEEE   [24]   M.A.   Raheem ,   K.   Manjunathaacha ri ,   “ pre sent e d  as  pape r   pre se nta ti on   IEEE  p a per   “ A  Loga ri th m ic   DW A  base d   Discre te  Ti m e  Multi bit Sigm a - Delt a Modul at or ” ,  I EE E   spons ored  conferenc e   INBUSH  ER A   2015.   ISBN:978 - 1 - 4799 - 8432 - 9  at Amit y   Unive rs ity   Gr eat er  Noida   Fe b25  - 27   2015 ”    [25]   M.A.   Raheem ,   Moham m ed  A rifuddi n   Sohel   and  Mali h a   Na az   “ Design  of  Discre te - Ti m e   Notch  Filt er  fo r  Biom edi cal  Applicati ons” ,   in  Confe renc e  Proc.   I EE E  Dev ic e  of  I nte grated  Circuits  Dev IC  2017  10. 1109/DEV IC   2 017. 8073997   [26]   Maiz an   Muham ad,   Norh a y atiSoin  and   Hari kr ishna   Ramiah   “ Design  of  Low   po wer  Low  Noise   Am pli fie r  usin g   Gm -   boosted  Te chni qu e”,  in  In donesian  Journal  of  El e ct ri cal   Engi ne ering  and  Computer  Sci enc e  ISSN:  250 2 - 4752,   DO I:  10. 1 1591/ ij e ec s.   v9.   i3.   pp 68 5 - 689   [27]   M.A.   Raheem ,   Moham m ed  A rifuddi n   Sohel   and  Mali h a   Na az   “ Design  of  Discre te - Ti m e   Notch  Filt er  fo r  Biom edi cal  Applicati ons” ,   in   Inte rnationa l   Journal  of  I nnovat i ve   Re se arch  in  Elec tric al ,   Elec tronics ,   Instrum ent ati on,   and   con trol Eng ine ering ,   Vol   4  i ss ue  12,   De ce m ber   2016        [28]   Ahm ed  Al - Hash imi,  Anis   Nurashikin   Nordin*,   Am el ia   W ong  Azm an ,   “ Design  of  a  Rec onf igur abl e ,   Modular  a nd  Multi - Channel  Bioi m peda nc e  Spect roscop y   Sy stem ” ,   in  Ind onesian  Journal  of  Elec tri cal  Engi nee ring  a nd  Computer  Scien ce ,  DO I:  10 . 115 91/ ij e ec s.   v8.   i2 .   pp 428 - 440   [29]   M.A.   Rahe em,  Moham m ed  Arifuddin   Sohel  and  Mali ha   Naa z ,   “ Quad  Mode  of  Sixte en - Chann el   Chopper  AF E  Design  and  Casca ded  with  Conti nuous  Ti m e  ∑ - ∆  Modulat or   for  El ec tro encepha log y   Monit or y   S y st em”,   i n  Inte rnational   Jo ur nal  of  Simula ti on,   S yste ms ,   S ci en ce   and  Te c hnology   ISSN  1 473 - 8031Re sear ch  in  E lectric a l ,   El e ct ronics,   Inst rum ent ati on  and   cont rol   Engi n eer ing ,   Vol   8   Num ber   3,   Sept ember   2017   [30]   A.  AA m in,   M.S .   Islam,   M.A.  Masud,   M.N . H.  K han,   “ Design  an d  Perform anc e  Anal y sis  of  1. 8  GH z  Low  Noise   Am pli fie r  for  W ire le ss   Rec e iv er  Applic a ti on” ,   in  Indone sian  Journal  of  El e ctrical  Engi ne eri n g  and  Com pute r  Scie nc e  DO I :  10 . 11591/ ijee cs.   v6 .   i3 .   pp 656 - 662       BIOGR AP H I ES   OF  A UTH ORS       Abdul  Rahe em  is  a  rese arc h  sc hola r  from   H y d era bad ,   T elanga na,   Indi a.  He  ha s  complet ed  id   Bac he lors  in  En gine er ing  in  20 05,   and  Maste rs  in  VLSI  S y ste m   Design  from   GRIET,   JN TU  H y der aba d ,   cur r ent l y   doing  P.h D  at   Gita m   Univer sit y   As   a  rese a rch   Schola r  in  Micro - e le c tronics   in  Analog   &   amplifi e rs ;  Mixed   Signal ,   H y d era b ad,   Ind ia.  His  C urre nt  r ese ar ch  m ai nl y   foc uses   on  CMO S  Analog -   Mixed  sign al   Int egr a te d  C i rcu it s.   His  cur r e nt  foc us  to   desi gn  Low  power  arc hi te c ture s  for   biomedical  app li c at ion .   His  on going  work  desi gn  are  foc us  to  Analog  Front   Design ,   low  power  design  of  Sigm a  Delt a  Modulat or  a nd  ba ndgap  ref er ence   ci rcu i ts.  He  is   expe rt  in  IC  EDA  tool s  int erf a cing  with  Speci fi c at ion  to  GD SII.  He  has  pre sented  a  pape rs  21   Nati ona l  and  In te rna ti ona l  IE E E  Confer e nce.  He  al so  re ceive d  best  pap er  a ward  in  IE EE  Confer ence  of   Pos t  Gradua t e  R e sea rch   in  Mi cro - El e ct roni cs  AS IA (PRIM E  AS IA 2015)         K  Manjua nthac har i   is  cur ren t l y   a  profe ss or  a nd  Hea d  of  th e   El e ct roni c  &   Com m unic at ion   Engi ne eri ng  De par tment  a t  Gitam   Univer sit y   H y der aba d  Te l ang ana ,   and  his  res ea r ch  in  Signal   Proce ss ing  and   Im age   Proce ss ing,   MP EG,   wi th  Inte rf ac ing  with  FP GA ,   He   has  enor m ous   expe ri ence  in  teac hing  and  indu str y ,   he  is  guiding  the   12  rese ar ch  schola r  a t  Gi ta m   Univer sit y .   He  has  50   plus p ubli c at ions  in  N at ion al   and  In te r nat ion al   Journa l /Confe ren ce s.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.