I AE I nte rna t io na l J o urna l o f   Art if icia l In t ellig ence   ( I J - AI )   Vo l.   6 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 7 ,   p p .   1 8 ~ 25   I SS N:  2252 - 8938 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j ai. v 6 . i1 . p p 1 8 - 25          18       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I J AI   A Lo w  P o w er,  Lo w  Nois e Am plifie r f o r R ecordi ng  N eura Sig na ls       G .   D ee pi k a 1 ,   K . S.R ao 2   1 De p a rtme n o f   El e c tro n ics   a n d   C o m m u n ica ti o n   E n g in e e rin g ,   RRS   Co ll e g e   o f   En g in e e rin g   &   T e c h n o lo g y ,   H y d e ra b a d ,   In d ia   2 De p a rtme n o f   El e c tro n ics   a n d   C o m m u n ica ti o n   E n g in e e rin g ,   A NU RAG   G ro u p   o f   In stit u ti o n s,   H y d e ra b a d ,   In d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   No v   4 ,   2 0 1 6   R ev i s ed   J an   8 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   Feb   17 ,   2 0 1 7       T h e   d e sig n   o f   a   lo w   p o w e a m p li f ier  f o re c o rd in g   EE G   sig n a ls  is  p re se n ted .   T h e   lo w   n o ise   d e sig n   tec h n iq u e a re   u se d   in   th is  d e sig n   t o   a c h iev e   lo w   in p u t   re fe rre d   n o ise   th a t   is  n e a t h e   th e o re ti c a li m it   o f   a n y   a m p li f i e u sin g   a   d if fe re n ti a p a ir  a in p u s tag e .   T o   re c o rd   th e   n e u ra sp ik e o lo c a f ield   p o ten ti a ls  (L F P ’s)   th e   a m p li f ier’ b a n d w id th   c a n   b e   a d ju ste d .   I n   o r d e t o   re jec c o m m o n - m o d e   a n d   p o w e su p p ly   n o ise   d if fe re n ti a in p u p a ir  n e e d   to   b e   in c lu d e d   i n   th e   d e sig n .   T h e   a m p li f ier  a c h iev e d   a   g a in   o f   5 3 . 7 d w it h   a   b a n d   w id th   o f   0 . 5 Hz   to 1 . 1   k Hz   a n d   in p u re f e rre d   n o ise   m e a su re d   a 3 5 7   nV r m s   o p e ra ted   w it h   a   su p p ly   v o lt a g e   o f   1 . 0 V .   T h e   to tal  p o w e c o n su m e d   is   a ro u n d   3 . 1 9 µW .   W h e n   c o n f ig u re d   to   re c o rd   n e u ra sig n a ls  th e   g a in   m e a su re d   is  5 4 . 3   d f o a   b a n d w id th   o f   1 0 0   Hz   a n d   th e   i n p u re f e rre d   n o i se   is  1 . 0 4 µ   V r m s .   T h e   a m p li f ier  wa i m p le m e n ted   i n   1 8 0 n m   tec h n o l o g y   a n d   sim u late d   u sin g   Ca d e n c e   V irt u o so .   K ey w o r d :   L o w   No is Am p li f ier   L o w   P o w er   R ec o r d in g   Ne u r al  Si g n a ls   Co p y rig h ©   2 0 1 7   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 :   G.   Dee p ik a,   Dep ar t m en t o f   E lectr o n ic s   a n d   C o m m u n icat io n   E n g i n ee r in g ,   R R S C o lle g o f   E n g i n ee r in g   &   T ec h n o lo g y ,   H y d er ab ad ,   I n d ia.   E m ail:  d ee p ik ar ed d y . g ad e @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   T o   u n d er s tan d   t h w o r k i n g   o f   b r ain   lar g s ca le  m u lti  elec tr o d s y s te m s   w er b u ilt  f o r   r ec o r d in g   n eu r al  s ig n al s   [ 1 ] , [ 2 ] .   Su ch   s y s te m s   h elp ed   in   co n d u cti n g   v ar io u s   ex p er i m en t s   an d   p r o v e d   th at  p r ed ictio n   o f   li m b   m o v e m e n ts   b y   r ec o r d in g   n eu r al   s i g n a ls   f r o m   m u ltip le  s ites   s i m u ltan eo u s l y   a n d   an al y zin g   [ 3 ] , [ 4 ] .   A s   a n   ex a m p le  p ar al y ze d   p er s o n   c an   m o v w h ee c h air   o r   co m p u ter   c u r s o r   u s in g   t h o u g h ts   an d   to   p er f o r m   s u c h   task s   b r ain   m ac h i n i n ter f ac es   ar b u ilt.  T h ese   i n ter f ac e s   n o o n l y   h elp   in   m o n i to r i n g   b r ain   ac tiv i ties   b u a ls o   h elp   i m m o v ab le  a n d   p h y s icall y   h a n d icap p ed   p eo p le.   A   n eu r al  s ig n al  a m p li f ier   is   th m o s i m p o r tan p ar in   th b r ain   m ac h in i n ter f ac e.   T h s i g n a ls   r ec o r d e d   f r o m   th e x ter n a p ar o f   th b r ain   ar v er y   w ea k   t y p ica ll y   b et w ee n   1 0   to   f e w   h u n d r ed   µV .   in   o r d er   to   p r o ce s s   th e s s i g n al s   a m p li f icatio n   i s   n ee d ed .   Fu t u r r eq u ir e m e n t s   m a y   d e m a n d   f o r   i m p lan tab le  r ec o r d in g   s y s te m   r eq u ir i n g   lar g n u m b e r   o f   n eu r al  a m p li f ier s   ( i.e   o n f o r   ea ch   elec tr o d e) .   A n   u ltra lo w   p o w er   o p er atio n   is   v er y   i m p o r tan f o r   th ese  ap p licatio n s   to   ac h iev lo n g er   b att er y   l if e,   r ed u ce   h ea t d is s ip atio n .   T h in p u t   r ef er r ed   n o i s o f   t h a m p li f ier   s h o u ld   b lo w   f o r   r ec o r d in g   clea r   n eu r al   s i g n al  a n d   s h o u ld   b k ep b elo w   t h b ac k g r o u n d   n o is o f   th r ec o r d in g   s i te  [ 2 ] .   T h e   d if f er en ce s   b et w ee n   th lo w   n o is a n d   lo w   p o w er   d esig n s   m u s b p r o p er l y   ad d r ess ed   b y   th d es ig n er s .   T h p o w er   o f   t h er m al  n o is li m ited   a m p li f ier   h av i n g   co n s ta n b an d w id t h   an d   s u p p l y   v o lta g s ca les  as  1 /v n 2   w h er v n   is   th i n p u r ef er r ed   n o is e.   Hen ce ,   t ac h iev lo w   n o is p er f o r m a n c th co s o f   p o w er   s teep l y   i n cr ea s es.  Sev er al  a m p li f ier   d es ig n s   f o r   r ec o r d in g   n eu r al  s i g n als  w er r ep o r ted   i n   th liter at u r [ 5 ] - [ 9 ]   an d   m o s o f   th e m   f o r   b an d w id t h   o f   5 - 1 0   k Hz  an d   f o r   an   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ - AI     I SS N:  2252 - 8938         A   Lo w   P o w er,  Lo w   N o i s A mp lifi er fo r   R ec o r d in g   N eu r a l S ig n a ls   ( G.   Dee p ika )   19   in p u r ef er r ed   n o is o f   ab o u 5 µV   co n s u m ed   p o w er   o f   ar o u n d   1 0 0 µW.  T h am p li f ier   d esig n   d escr ib ed   in   [ 8 ]   ac h iev ed   2 . 2 µV   o f   in p u r ef e r r ed   n o is an d   co n s u m ed   8 0 µW   o f   p o w er   an d   th b an d   w id t h   o b tain ed   w as   7 . 2   k Hz.     T h p o w er   co n s u m p tio n   o f   n eu r al  a m p li f ier   w il l b ec o m li m it in g   f ac to r   in   m u l ti e lect r o d ar r ay   n eu r al   r ec o r d in g   s y s te m   i f   s u ch   a m p li f ier s   co n s u m in g   p o wer   ap p r o x i m atel y   1 0 0 µW   p er   a m p li f ier   ar to   b u s ed .   I n   o r d er   to   av o id   t h is   b o ttlen ec k   a   n e w   m icr o   p o w er   a m p li f ier   d esi g n   is   p r o p o s ed .   T h is   d esi g n   k ee p s   t h e   p o w er   o f   th e   a m p li f ier   lo w   en o u g h   s o   a s   to   r ed u ce   th e   to tal  p o w er   co n s u m p tio n   o f   th m u lti  e lectr o d e   r ec o r d in g   s y s te m .   Var io u s   n eu r al  a m p lif ier   d esi g n   tech n iq u e s   ar p r o p o s ed   in   [ 8 ] .   T o   r e j ec lar g d o f f s ets  p r esen at  elec tr o d in ter f ac a n d   en ab li n g   t h a m p l if ier   to   allo w   t h s ig n al s   o f   i n ter est  a   MO S   b ip o lar   p s eu d o   r esis to r   h av in g   h i g h   r esis tan ce   v al u e   [ 1 0 ]   alo n g   w i th   d co u p li n g   ca p ac ito r s   o n   ch ip   ca n   b u s ed .   Sev er al  o f f   ch ip   co m p o n e n ts   ar n o n ee d ed   as  h ig h   r esi s tan ce   co m p o n e n t s   ca n   b r ea lized   in   s m all  ar ea   o n   ch ip .   T h d esig n   p r o p o s ed   in   [ 8 ]   is   s tan d ar d   o p er atio n al  tr an s - co n d u c tan c e   a m p li f ier   ( OT A )   h a v i n g   w id o u tp u s w i n g .   C ap ac iti v f ee d b ac k   is   e m p lo y ed   an d   ac h ie v ed   g ai n   o f   n ea r l y   4 0 d B .   Var io u s   d esig n   tec h n iq u es  ar p r o p o s ed   to   r ed u ce   th in p u t   r ef er r ed   n o is b y   o p er atin g   s o m d ev ice s   in   s tr o n g   in v er s io n   to   r ed u ce   th eir   n o is co n tr ib u tio n s .   Ho w ev er   th d esig n   o b tain s   tr ad eo f f   b et w ee n   p o w er n o is n ea r er   to   th e   t h eo r etica li m it,  t h OT A   to p o lo g y   i s   n o p o w er   ef f icie n t,  b ec a u s m o s o f   t h c u r r en i s   w a s ted   in   c u r r e n m ir r o r   cir cu its .   I n   s i n g le  e n d ed   o p en   lo o p   am p li f ier   co m m o n   s o u r ce   in p u s ta g w it h   r esis ti v lo ad   ca n   ac h ie v v e r y   lo w   n o is i f   th g ain   o f   th is   s tag i s   g r ea ter   th a n   5   f o r   f ix ed   p o w er   an d   b an d w id t h .   Ho w e v er   d if f er e n t ial  p air s   ar u s ed   in   n eu r al  am p li f ier s   f o r   h i g h   r ej ec tio n   o f   co m m o n   m o d an d   p o w er   s u p p l y   n o is s o u r ce s .   co n v en t io n al  d i f f er en tia p air   is   u s ed   i n   th e   d esi g n   f o r   r ej ec tio n   o f   co m m o n   m o d a n d   p o w er   s u p p l y   n o is e.   T h i s   d esi g n   e m p lo y s   lo w   p o w er   lo w   n o is e   OT A   co n f i g u r atio n   to   ac h ie v e f f icien t   p o w er   n o is tr ad eo f f   m ak i n g   u s o f   s u p p l y   c u r r en t.  T h is   a m p li f ier   ca n   b co n f ig u r ed   f o r   r ec o r d in g   n e u r al  s p i k es  o r   lo ca l f ield   p o ten tials   b y   c h a n g in g   b a n d w id th   t h r o u g h   b ias c u r r en t.       2.   O T DE SI G N   T h s ch e m a tic  o f   s ta n d ar d   f o ld ed   ca s co d e d   O T A   is   g i v en   in   Fi g u r 1 .   T h tr an s i s to r s   M 3   an d   M 4   f o r m   c u r r en t   s o u r ce s   a n d   th e ir   lar g c h an n el   cu r r en ts   co n tr ib u te  to   s i g n i f ica n t   a m o u n o f   n o is e.   I n   t h is   d esig n   th s ta n d ar d   f o ld ed   ca s co d O T A   g i v en   i n   Fi g u r 1   is   m o d i f ied   b y   ad d in g   tr an s is to r s   M 5   an d   M 6   ac tin g   as  s o u r ce   d eg en er ated   cu r r en s o u r ce s   to   tr an s is to r s   M 3   an d   M 4 .   T h m o d i f ied   OT A   cir cu it  s ch e m atic   is   g i v e n   in   F ig u r 2 .           Fig u r 1 .   Sch e m atic  o f   F o ld ed   C asco d OT A   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8938   IJ - AI    Vo l.  6 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 7   :   1 8     25   20       Fig u r 2 .   Mo d if ied   L o w   No is e   OT A   Desig n       T h n o is p r o d u ce d   in   th s o u r ce   d eg en er ated   cu r r en s o u r ce s   ar m a in l y   b ec au s o f   r esis t o r s   an d   b y   p r o p er ly   ch o o s in g   th r esis tan ce ,   th n o is lev el s   ca n   b r ed u ce d   to   lev el  m u ch   s m aller   t h an   t h n o is lev e ls   p r o d u ce d   f r o m   MO S   tr an s is to r s   o p er atin g   w it h   s a m e   cu r r en t.  I n   t h s o u r ce   d eg e n er ated   c u r r en s o u r ce s   th e   r esis to r s   co n tr ib u te  to   th er m a n o is e,   w h ile  t h n MO c u r r en s o u r ce s   p r o d u ce   lar g 1 /f   n o is u n le s s   t h e y   h av lar g ar ea .   Hen ce   in   th i s   d esig n   t h in p u d if f er en tial  p air   is   m ad o f   P MO tr an s i s to r s   w it h   lar g ar ea   s in ce   t h 1 /f   n o is is   m u ch   s m aller   th an   t h d if f er e n tial p air   w it h   NM O S tr an s is to r s   o f   s a m s ize.     Fo r   g iv e n   to tal  cu r r en th tr an s -   co n d u cta n ce   o f   t h OT A   m u s b m ad m ax i m u m   i n   o r d er   to   ac h iev lo w   in p u r ef er r ed   n o is e.   T h tr an s -   co n d u cta n ce   o f   o n o f   th tr a n s i s to r   in   t h d if f er e n tial  p air   i.e ,   g m1   w il b th m a x i m u m   ac h i ev ab le  tr an s - co n d u cta n ce   o f   t h s ta n d ar d   f o ld ed   ca s ca d OT A .   T h tr an s is to r s   g m   w ill  b m a x i m ized   f o r   g i v en   c u r r en i f   t h tr a n s i s to r s   M 1   an d   M 2   ar o p er at ed   in   s u b   th r esh o ld   r eg io n .   Hen ce   b o th   t h tr a n s i s to r s   m u s h av e   lar g e   W / L   r atio s .   T h is   r eq u ir es  th e   le n g t h s   o f   b o th   t h tr a n s i s to r s   n ee d   to   b s m all  a n d   to   en s u r th a m p li f ier s   in p u ca p ac itan ce   is   n o to o   lar g th eir   w id th s   s h o u ld   s ta y   r elati v el y   s m all .   T h in p u d if f er e n tial  p air   tr an s is to r s   ar ca s co d ed   w i th   M 3   an d   M 4   to   in cr ea s th eir   o u tp u t   i m p ed an ce s   a n d   also   to   e n s u r th at  th s o u r ce s   o f   M 7   an d   M 8   r ec eiv e s   all  t h cu r r en ca u s ed   b y   t h e   d if f er e n tial  i n p u t.  T h s o u r ce   d eg en er ated   cu r r en s o u r ce s   a r e   d esig n ed   to   h av lar g o u t p u i m p ed an ce s   b y   M 5   an d   M 6 .   T o   m a k t h tr an s - co n d u ctan ce   o f   th OT A   G m   n ea r l y   eq u al  to   th tr an s - co n d u ctan ce   o f   o n e   tr an s i s to r   g m ,   th s o u r ce   d e g en er ated   c u r r en s o u r ce s   a n d   th e   ca s co d ed   in p u d i f f e r en tial  p air   o u tp u t   i m p ed an ce s   m u s t b lar g er   t h a n   th i m p ed an ce   lo o k i n g   in to   t h s o u r ce s   o f   M 7   an d   M 8 .       3.   L O W - P O WE L O W - NO I S E   O T D E SI G F O G AI ST A G E   T h OT A   s h o w n   i n   Fi g u r 2   is   b iased   in   s u c h   w a y   t h at  o n l y   f r ac tio n   o f   th c u r r en i n   th i n p u t   d if f er e n tial  p air   M 1   an d   M 2   w ill  f lo w   t h r o u g h   th tr an s is to r s   in   th f o ld ed   b r an ch   M 7 - M 12 .   I n   th is   d esig n   th e   cu r r en i n   t h f o ld ed   b r an ch   M 7 - M 12   ar s ca led   to   ar o u n d   1 /1 4 th   o f   th at  o f   th c u r r en i n   M 1   an d   M 2 .   T h is   lo cu r r en in   M 7 - M 12   m a k es  th e   n o is e   co n tr ib u tio n   n e g li g ib le   th a n   t h at   co n tr ib u ted   b y   M 1   an d   M 2 .   T h b ia s   cu r r en ts   o f   M 5   a n d   M 6   ar s e b y   u s in g   a   b ias   cir cu it   f o r m ed   b y   M b2 ,   M c2   a n d   M c3   to   a ch iev e   t h is   cu r r e n t   s ca lin g .   T o   en s u r ac cu r ate  cu r r en s ca li n g   th o u tp u i m p ed an ce s   o f   th c u r r en s o u r ce s   ar i m p r o v ed   b y   ca s co d in g .   T h e f f ec o f   t h r esh o ld   v o ltag v ar iatio n s   ar r ed u ce d   b y   o p er atin g   th e m   i n   s tr o n g   in v er s io n   r eg io n .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ - AI     I SS N:  2252 - 8938         A   Lo w   P o w er,  Lo w   N o i s A mp lifi er fo r   R ec o r d in g   N eu r a l S ig n a ls   ( G.   Dee p ika )   21       Fig u r 3 .   C u r r en Scalin g   i n   O T A       T h cu r r en ts   in   M a n d   M 6   ar s et  b y   s o u r ce   d eg e n er ated   cu r r en m ir r o r s   f o r m ed   b y   M c3 ,   M 5 ,   M 6   in   s u c h   w a y   t h at  t h c u r r en t s   i n   M 7   a n d   M 8   ( t h d i f f er e n ce   b et w ee n   t h c u r r en t s   i n   M 3   a n d   M 5   an d   b et w ee n   M 4   an d   M 6 )   ar v er y   s m all  t h an   t h cu r r en ts   i n   t h d if f er en tia l p air   M 1     M 2 .   T h tr an s is to r s   M b1   an d   M b2   c u r r en s ca li n g   r atio   is   s et  to   1 4 :1   to   s a v p o w er   in   t h b ias  cir cu it  as  s h o w n   i n   Fig u r e   3 .   T h cu r r en ts   i n   M 5   a n d   M 6   ar s et  to   7 I /1 4   w h ich   s ets  t h c u r r en i n   t h f o ld ed   b r an ch   tr an s is to r   to   b I B   /1 4   th at  eq u als  to   1 /1 4 th   o f   th cu r r en i n   d if f er en tial  p air .   T h g ate  v o ltag o f   th e n tire   s o u r ce   d eg en er ated   u n it tr an s is to r s   is   s a m a n d   ar id en tical.   Fo r   g iv en   c u r r en le v el  th t r an s - co n d u cta n ce   G m   o f   t h OT A   n ee d s   to   b m a x i m u m   t o   h av lo w   in p u t   r ef er r ed   n o is e.   Fo r   th e   OT A   s h o w n   in   Fi g u r 1   t h c u r r en i n   M5   a n d   M6   i s   co m p ar ab le  to   th at  i n   M1   an d   M2 .   T h im p ed an ce   lo o k in g   i n to   th d r ain s   o f   M1 M4   is   h ig h er   th a n   th i m p ed a n ce   lo o k in g   i n to   th e   s o u r ce   o f   M5   an d   M6 .   He n ce   th o v er all  tr a n s - co n d u cta n ce   G m   o f   t h f o ld ed   ca s co d OT A   n ea r l y   eq u als  to   g m1   t h g m   o f   M1 .   T h i m p ed an ce   lo o k i n g   i n to   t h e   s o u r ce s   o f   M5   an d   M6   is   m ad to   b s ig n i f ica n p o r tio n   o f   th e   i m p ed a n ce   lo o k i n g   i n t o   th d r ain s   o f   M1 - M4 ,   b y   l o w er in g   t h c u r r en t   in   M5 - M 1 0   eq u al  to   s m all   f r ac tio n   o f   cu r r en in   M1   an d   M2 .   Hen ce   th in cr e m e n tal  cu r r en ts   w ill  n o g o   th r o u g h   th s o u r ce s   o f   M5   an d   M6 .   T h is   m a k es t h G m   le s s   t h an   g m1 .   T h cu r r en s o u r ce s   f o r m ed   b y   M3   an d   M4   i n   th e   s ta n d ar d   OT A   s h o w n   i n   Fi g u r 1   g en er ate s   s ig n i f ica n a m o u n o f   n o is b ec au s o f   t h eir   lar g c h an n el   cu r r en t s .   I n   th is   d es ig n   t h s o u r ce   d eg e n er ated   cu r r en t so u r c es a r f o r m ed   b y   M5   an d   M6 .   T h n MO c u r r en s o u r ce s   ar m ad w it h   lar g ar ea   t h e y   p r o d u ce   lar g 1 /f   n o is e.   I n   t h is   n eu r al  a m p li f ier   t h e   1 /f   n o is i s   f r o m   th e   d if f er en ti al  p air   an d   h en ce   i n   t h is   d esi g n   to   ac h ie v lo w   1 / f   n o is e   th e   d if f er en tia p air   is   m ad e   w ith   lar g ar ea   P MO S tr an s i s to r s .     Dev ice  Siz i ng   f o r   Ma x i m iz ing       B y   m a x i m izi n g   th tr a n s   co n d u ctan ce   o f   th OT A   f o r   g i v en   c u r r en t,  lo w   i n p u r e f er r ed   n o is ca n   b ac h iev ed .   I n   s ta n d ar d   f o ld ed   ca s co d ed   O T A   th m a x i m u m   tr a n s   co n d u cta n ce   is   eq u al   to   th at  o f   th tr a n s   co n d u ctan ce   o f   o n o f   t h tr an s i s to r   in   th in p u d if f er en tial  p air .   Hen ce   th tr an s is to r s   M1   an d   M2   ar o p er ated   in   s u b   t h r es h o ld   r eg i o n   w h er g m   i s   m a x i m u m   f o r   g i v e n   c u r r en t.  T h a s p ec r a tio   o f   M1   an d   M2   n ee d   to   b lar g a n d   th i s   r eq u i r es  len g t h s   o f   M1   an d   M2   n ee d   to   b s m all  s o   as  to   k ee p   th e ir   w id t h s   r elat iv el y   s m al l a n d   th i n p u t c ap ac itan c o f   th OT A   is   n o t la r g e.   T h in p u t   d if f er en tial  p air   t r an s is to r s   ar ca s co d ed   w it h   M3   an d   M4   to   i n cr ea s t h eir   o u tp u t   i m p ed an ce s   a n d   also   to   en s u r t h in cr e m e n tal  c u r r en g o es  t h r o u g h   t h s o u r ce s   o f   M7   an d   M8 .   T h tr an s is to r -   r esis to r   co m b in atio n s   o f   M5   an d   M6   f o r m s   t h s o u r ce   d eg e n er ated   cu r r en s o u r ce s   ar e   d esig n ed   to   h av e   lar g o u tp u i m p ed an ce s .   T o   k ee p   G m   n ea r   to   g m 1,   th i m p ed an ce   lo o k i n g   in to   t h s o u r ce s   o f   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8938   IJ - AI    Vo l.  6 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 7   :   1 8     25   22   M7   an d   M8   m u s b m u c h   s m aller   t h a n   t h i m p ed an ce s   o f   t h ca s co d ed   d if f er en tial  p air   an d   th e   s o u r ce   d eg en er ated   cu r r en s o u r ce .       T ab le  1 .   Op e r atin g   P o in ts   f o r   T r an s is to r s   in   t h OT A   w it h   I D   3 . 1 9 µ   Dev ices a n d   C u r r en t Sca li n g   R atio   D e v i c e s   C u r r e n t   D i v i s i o n   R a t i o s   M b1 :M b2   7 : 1   ( 2 I B / 1 4 )   M 1 :M 2 ,   M 3 :M 4   7I B / 1 4   M 5 :M 6   8I B / 1 4   M 7 :M 8,   M 9 :M 1 0,   M 11 :M 12   I B / 1 4       D e v i c e   s   W ( u m) / L ( n m)   I D   O p e r a t i n g   r e g i o n   M 1 , 2   7 / 1 8 0   1 . 2 6 u A   S u b - t h r e sh o l d   r e g i o n   M 3 , 4   4 5 / 1 8 0   1 . 2 6 u A   S u b - t h r e sh o l d   r e g i o n   M 5 , 6   8 / 1 8 0   1 . 4 4 u A   S u b - t h r e sh o l d   r e g i o n   M 7 , 8   2 / 1 8 0   1 8 0 n A   S u b - t h r e sh o l d   r e g i o n   M 9 , 1 0   2 / 1 8 0   1 8 0 n A   S u b - t h r e sh o l d   r e g i o n   M 1 1 , 1 2   2 / 1 8 0   1 8 0 n A   S u b - t h r e sh o l d   r e g i o n       4.   M E ASURE M E NT   RE SUL T S   T h am p li f ier   s c h e m atic  g iv e n   in   Fig u r e   4   is   s i m i lar   to   th a g i v en   i n   [ 8 ] .   T h MO b ip o lar   p s eu d o   r esis to r   co m p o n e n t   f o r m ed   b y   M a   -   M b   a n d   t h ca p ac ita n ce   C   d ec id es  th e   lo w   f r eq u e n c y   h ig h   p ass   cu to f f   o f   th g ai n   s ta g e.   T h a m p l if ier   m id   b an d   g ai n   s o   o b tain ed   is   a r o u n d   5 4   d B .   T h a m p li f ier   ca n   r ec o r d   eith er   L FP   ( L o ca l Field   P o ten tials )   h a v i n g   f r eq u e n cie s   1 - 1 0 0   Hz  o r   n eu r al  s p ik es o f   f r eq u e n cies 1 0 0   Hz - 1   KHz .           Fig u r 4 .   Neu r al  Am p li f ier   Sc h e m a tic       Fo r   r ec o r d in g   L FP   w h o s b an d   w id th   i s   lo w ,   t h b ias  c u r r en in   th g ai n   s ta g ca n   b r ed u ce d   to   lo w er   t h p o w er   a n d   t h cu to f f   f r eq u en c y   o f   th e   h i g h   p ass   m u s b k ep as  lo w   a s   p o s s i b le.   T o   cr ea te  h ig h   p ass   f ilter   w ea k   in v er s io n   MO tr an s i s to r   is   p lace d   in   p ar allel  w it h   C   w ith   f e w   h u n d r ed   Hz  as  cu to f f   f r eq u en c y   [ 7 ] .   T h in p u tr an s i s to r s   n o is cu r r e n ts   at  g at es  ar lo w   p ass   f ilter ed   b y   C   an d   MO b ip o lar   p s eu d o   r esis to r   an d   in tr o d u ce s   lo w   f r eq u e n c y   n o i s th at  r o lls   o f f   as  1 /f 2 .   T h is   n o is also   g e ts   a m p li f ied   w h ic h   d eg r ad es  th d etec tab le  s ig n al.   T h i m p ed an ce   o f   MO S   b ip o lar   p s eu d o   r esis to r   is   h ig h er   t h an   w ea k   in v er s io n   M OS  tr a n s i s to r   h e n ce   th f ilter   p o le  cr ea ted   b y   t h P s eu d o   r esis to r   ele m e n will  b at  v er y   lo w   f r eq u en c y   [ 7 ] .   T h n o is cu r r en in tr o d u ce d   w ith   t h is   ele m e n an d   th s h o n o is d u to   leak ag c u r r en at  th e   g ates a r f ilter ed   b ef o r th p ass   b an d   an d   w ill  n o t a p p ea r   in   th f r eq u e n c y   b an d   o f   i n ter est.   T h am p li f ier   w a s   i m p le m e n t ed   in   1 8 0 n m   C MO p r o ce s s   a n d   is   s i m u lated   u s i n g   C ad e n ce   Vir tu o s o .   A ll  t h ca p ac ito r s   w er i m p le m en ted   p o ly - p o l y   ca p ac ito r s .   T h am p li f ier   is   d esig n ed   to   g iv g ai n   o f   5 0 d B   an d   o p er ate  at  s u p p l y   v o ltag o f   ±   1 V.   T h to tal  cu r r en c o n s u m ed   i s   3 . 1 9 µA .   T h - 3 d B   cu to f f   f r eq u e n cie s   ar ad j u s ted   as  0 . 5 Hz  an d   1 . 1   k Hz.   T h p lo o f   th m ea s u r ed   g ai n   an d   p h a s r esp o n s is   g i v en   in   Fig u r 5   &   6   b elo w .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ - AI     I SS N:  2252 - 8938         A   Lo w   P o w er,  Lo w   N o i s A mp lifi er fo r   R ec o r d in g   N eu r a l S ig n a ls   ( G.   Dee p ika )   23       Fig u r 5 .   Gain   P lo t o f   OT A       T h m ea s u r ed   p ar a m eter s   ar g iv e n   b elo w   in   T ab le  2       T ab le  2 .   T h Me asu r ed   P ar am eter s   P a r a me t e r   M e a su r e d   S u p p l y   V o l t a g e   ±   1 V   T o t a l   C u r r e n t   3 . 1 9 u A   G a i n     5 3 . 7   d B   B a n d w i d t h   0 . 5 H z - 1 . 1   K H z   I n p u t   r e f e r r e d   N o i se   3 5 7   n   V rm s   C M R R   7 8 . 7   d B   P S R R   9 5 . 7   d B   P o w e r   D i ssi p a t i o n   3 . 1 9   µ W           Fig u r 6 .   P h ase  R esp o n s o f   OT A   f o r   B W   o f   1   k Hz.       I n   s o m o f   th b r ai n   m ac h i n in ter f ac e s   L o ca f ie ld   p o ten tia ls   ar o f ten   r ec o r d ed   in s tead   o f   ac tio n   p o ten tials .   T h p er f o r m an ce   c h ar ac ter is tics   o f   th i s   a m p li f ier   ar m ea s u r ed   b y   co n f i g u r in g   w it h   lo w er   b an d w id t h .   T h en er g y   o f   L FP   lie s   i n   t h f r eq u en c y   r a n g o f   1 - 1 0 0 Hz,   t h 3 d B   lo w   p ass   an d   h i g h   p as s   cu to f f   f r eq u e n cies   ar lo w er ed   b y   r ed u ci n g   t h s u p p l y   cu r r en o f   th OT A .   T h OT A   is   ad j u s ted   to   h av b an d   w id t h   o f   0 . 5   Hz  to   1 0 0 Hz  f o r   L FP   r ec o r d in g .   T h Ma g n it u d o f   g ai n   a n d   p h ase  r esp o n s m ea s u r ed   is   g i v en   in   Fi g u r 7 .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8938   IJ - AI    Vo l.  6 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 7   :   1 8     25   24       Fig u r 7 .   Ma g n i tu d an d   P h as R esp o n s o f   OT A   f o r   B W   o f   0 . 5 - 1 0 0   Hz.       T h Me asu r ed   P ar am eter s   o f   t h OT A   f o r   th b a n d w id th   o f   0 . 5 - 1 0 0 Hz  ar g iv en   in   b elo w   in   T ab le  3 .       T ab le  3 .   Me asu r ed   P a r am eter s   o f   th OT A   f o r   th b an d w id th   o f   0 . 5 - 100   P A R A M ET ER   M EA S U R ED   S u p p l y   V o l t a g e   1V   T o t a l   C u r r e n t   3 . 1 9 u A   G a i n     5 4 . 3   d B   B a n d w i d t h   0 . 5 H z - 1 0 0 H z   I n p u t   r e f e r r e d   N o i se   1 . 0 4 u   V rm s   C M R R   7 9 . 3 d B   P S R R   9 6 . 3 d B   P o w e r   D i ssi p a t i o n   3 . 1 9 u W       5.   CO NCLU SI O NS   A   lo w   n o i s lo w   m icr o   p o w er   a m p li f ier   to   r ec o r d   n eu r al  s ig n al s   is   p r esen ted .   T o   k ee p   th i n p u t   r ef er r ed   n o is o f   t h a m p lifie r   n ea r   to   t h t h eo r etica li m it   o f   t h i n p u t   d if f er en tial  p air   lo w   n o is e   d esi g n   tech n iq u es   w er e m p lo y ed .   As  p er   t h m ea s u r e m en ts   it  ap p ea r s   th at  th e   a m p li f ier   h a d   lo w e s p o w er   a n d   en er g y   e f f ic ien t.  E i th er   ac tio n   p o ten tials   o r   L o ca f ield   p o te n tial s   ca n   b r ec o r d ed   b y   s u ita b ly   co n f ig u r i n g   th e   a m p li f ier s   b an d   w id t h .   T h is   ca n   b u s ed   in   m a n y   al m o s a ll  th s y s te m s   u s ed   f o r   r ec o r d in g   an d   p r o ce s s i n g   b r ain   s ig n al s .       ACK NO WL E D G E M E NT S   T h au th o r s   ar h ig h l y   t h a n k f u to   t h C h air m a n   o f   An u r ag   Gr o u p   o f   I n s tit u tio n s   Dr . P . R aj esh w ar   R ed d y   f o r   h is   co n s ta n e n co u r ag e m e n a n d   also   p r o v id in g   all  th n ec es s ar y   r eso u r ce s   to   ca r r y o u t h is   w o r k .   T h ey   ar also   th a n k f u to   Dr .   K. S.R . Kr is h n P r asad ,   P r o f ess o r ,   NI T ,   W a r an g al  f o r   h i s   v alu ab le  s u g g esti o n s   d u r in g   th i s   w o r k .       RE F E R E NC E S   [1 ]   M a v o o ri,   Ja c k so n ,   Dio rio ,   F e z .   A n   a u to n o m o u im p lan tab le  c o m p u ter  f o n e u ra re c o rd in g   a n d   si m u latio n   in   n u re stra in e d   p rim a tes .   J .   Ne u ro sc i.   M e th .   2 0 0 5 1 4 8 7 1 7 7 .   [2 ]   G u il lo ry ,   R A   No r m a n n ,   A   1 0 0 - c h a n n e sy ste m   f o r e a ti m e   d e tec ti o n   a n d   sto ra g e   o f   e x trac e ll u lar  sp ik e   w a v e f o r m s .   J .   Ne u ro sc i.   M e th .   1 9 9 9 9 1 2 1 2 9 .   [3 ]   W e ss b e r g ,   S tam b a u g h ,   Kr a li k ,   P   Be c k ,   M   L a u b a c h ,   Ch a p in ,   Kim ,   S   Big g s,  M   S rin iv a sa n ,   M   Nic o lelis.   Re a l - ti m e   p re d ictio n   o f   h a n d   traje c to ry   b y   e n se m b les   o f   c o rti c a n e u ro n s in   p rim a tes .   Na tu re ,   2 0 0 0 4 0 8 3 6 1 36 5.   [4 ]   Ch a p in ,   M o x o n ,   M a rk o w it z ,   M   Nic o lelis.  Re a l - ti m e   c o n tr o o f   a   ro b o a rm   u sin g   sim u lt a n e o u sly   re c o rd e d   n e u ro n s in   th e   m o to c o rtex .   Na t u re   Ne u ro sc i.   1 9 9 9 6 6 4 6 7 0 .   [5 ]   RH  Olss o n ,   III,   DL   Bu h l,   A M   S iro ta,  G   Bu z sa k i,   KD   W ise .   Ba n d - tu n a b le  a n d   m u lt ip lex e d   in teg ra ted   c ircu it f o sim u lt a - n e o u re c o rd i n g   a n d   stim u latio n   w it h   m icro e lec tro d e   a rra y s.  IEE E   T ra n s.   Bi o me d .   E n g . ,   2 0 0 5 5 2 (7 ):   1 3 0 3 1 3 1 1 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ - AI     I SS N:  2252 - 8938         A   Lo w   P o w er,  Lo w   N o i s A mp lifi er fo r   R ec o r d in g   N eu r a l S ig n a ls   ( G.   Dee p ika )   25   [6 ]   P   M o h se n i,   Na jaf i.   A   f u ll y   in teg ra ted   n e u ra re c o rd in g   a m p li f ier  w it h   d c   in p u sta b il iza ti o n .   I EE T ra n s.  B io me d .   En g .   2 0 0 4 5 1 ( 5 ):  8 3 2 8 3 7 .   [7 ]   P e re lm a n ,   G in o sa r.   A n   in t e g ra ted   s y ste m   f o m u lt ich a n n e l   n e u ro n a re c o r d in g   w it h   sp ik e / L F P   se p a ra ti o n ,   in teg ra ted   A /D  c o n v e r - sio n   a n d   t h re sh o l d   d e tec ti o n .   IEE T ra n s .   Bi o me d .   En g .   2 0 0 7 5 4 ( 1 ):  1 3 0 1 3 7 .   [8 ]   Ha rriso n ,   C h a rles .   A   lo w - p o w e lo w - n o ise   CM OS  a m p li f ier   f o n e u ra re c o r d i n g   a p p l ica ti o n s.  IEE E   J .   S o li d - S ta te Ci rc u it s .   2 0 0 3 3 8 ( 5 ):  9 5 8 9 6 5 .   [9 ]   RR  Ha rriso n ,   P T   W a t k in s,  RJ  Kie r,   RO  L o v e jo y ,   D Blac k ,   G re g e r,   F   S o lzb a c h e r.   A   lo w - p o w e i n teg ra ted   c ircu it   f o a   w ir e les s 1 0 0 - e lec tro d e   n e u ra re c o rd i n g   sy ste m .   IEE J .   S o li d   S ta te   Circ u it s .   2 0 0 7 4 2 ( 1 ):  1 2 3 1 3 3 .   [1 0 ]   T   De lb c k ,   M e a d .   A n a lo g   V L S a d a p ti v e ,   lo g a rit h m ic  w id e - d y n a m ic - r a n g e   p h o to re c e p t o r .   I n   Pro c .   IEE I n t.   S y mp .   Circ u i ts  S y st.   ( IS CAS ) .   1 9 9 4 4 3 3 9   3 4 2 .   [1 1 ]   S a rp e sh k a r,   RF   Ly o n ,   M e a d .   A   lo w - p o we w id e - li n e a r - ra n g e   tran sc o n d u c tan c e   a m p li f ier.   An a l o g   I n teg r .   Circ u it s S i g n a l   Pr o c e ss .   1 9 9 7 ;   1 3 (1 2 ):  1 2 3 1 5 1 .   [1 2 ]   Y T siv id is ,   Op e ra ti o n   a n d   M o d e li n g   o t h e   M OS   T ra n sisto r ,   2 n d   e d .   Ne w   Yo rk M c G ra w - Hill ,   1 9 9 8 .   [1 3 ]   CC  En z ,   F   Kr u m m e n a c h e r,   E A   V it t o z .   A n   a n a ly ti c a M OS  tran sisto m o d e v a li d   in   a ll   re g io n o f   o p e ra ti o n   a n d   d e d ica ted   t o   lo w - v o lt a g e   a n d   lo w - c u rre n a p p li c a ti o n s.  A n a l o g   In te g r.  Circ u it S ig n a l   Pro c e ss .   1 9 9 5 ;   8 8 3 1 4 4 .   [1 4 ]   M   S tey a e rt,   W   S a n se n ,   Zh o n g y u a n .   A   m i c ro p o w e lo w - n o ise   m o n o li th ic  i n stru m e n tatio n   a m p li f ier  f o m e d ica p u r p o se s.  IEE E   J .   S o li d - S t a te Ci r c u it s .   1 9 8 7 ( S C -   2 2 ):  1 1 6 3 1 1 6 8 .   [1 5 ]   S c h e rb e rg e r,   M Ja rv is,   A n d e rse n .   Co rti c a lo c a f ield   p o ten ti a e n c o d e m o v e m e n in ten ti o n in   th e   p o ste rio r   p a ri e tal  c o rtex .   Ne u ro n ,   2 0 0 5 4 6 :   3 4 7 3 5 4 .       BI O G RAP H I E S   O F   AUTH O RS       G.   De e p ik a   o b tain e d   h e B. E. ,   M . T e c h   d e g re e   in   ECE   in   t h e   y e a o f   2 0 0 2 ,   2 0 0 5   f ro m   CBI T ,   Os m a n ia  Un iv e rsit y   a n d   JN T   Un iv e rsit y ,   H y d e ra b a d   re sp e c ti v e l y .   S h e   h a d   1 0   y e a rs  o f   tea c h in g   e x p e rien c e .   P re se n tl y   sh e   is   a n   A s so c iate   P ro f e ss o in   RRS   Co ll e g e   o f   En g in e e rin g   &   T e c h n o lo g y ,   M e d a k   District  a n d   p u rsu i n g   P h . D i n   JN T   Un iv e rsit y ,   Hy d e ra b a d .   e m a il d e e p ik a re d d y . g a d e @g m a il . c o m         Dr.  K.  S .   Ra o   o b tain e d   h is  B.   T e c h ,   M .   T e c h   a n d   P h . D .   in   El e c tro n ics   a n d   I n stru m e n tatio n   En g in e e rin g   in   t h e   y e a r 1 9 8 6 ,   8 9   a n d   9 7   f ro m   KI T S ,   REC  W a ra n g a a n d   V RCE  Na g p u r   re sp e c ti v e l y .   He   h a d   2 5   y e a rs  o tea c h in g   a n d   re se a rc h   e x p e rien c e   a n d   w o rk e d   in   a ll   a c a d e m ic   p o siti o n s,  p re se n tl y   h e   is  th e   Dir e c to r,   A n u ra g   G ro u p   o f   In stit u ti o n (A u to n o m o u s)  Hy d e ra b a d .   His f ield s o f   in tere sts a re   S ig n a P ro c e ss in g ,   Ne u ra Ne tw o rk s an d   V L S sy ste m   d e sig n .   e m a il k sra o _ p rn @re d if fm a il . c o m         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.