Niskoszumne wielokanałowe układy scalone dla potrzeb rejestracji sygnałów z żywych sieci neuronowych

mgr inż. Piotr Kmon

Promotor: dr hab. inż. Paweł Gryboś, prof. AGH – Akademia Górniczo-Hutnicza
Dyscyplina: Elektronika

Przedmiotem niniejszej pracy jest projekt wielokanałowego układu scalonego przeznaczonego do rejestracji sygnałów neurobiologicznych zarówno metodą in vivo jak i in vitro. Specyfika pomiarów neurobiologicznych nakłada na taki układ szereg wymogów. Są to niskie wejściowe szumy napięciowe, niski pobór mocy, wysoka jednorodność kluczowych parametrów toru odczytowego czy też niewielka powierzchnia końcowego zintegrowanego systemu. Co więcej, konieczność późniejszej rozbudowy takiego systemu o bloki odpowiadające za stymulację, cyfrową kompresję danych czy bezprzewodową transmisję danych i energii, nakłada konieczność wykorzystania nowoczesnych submikronowych technologii produkcji elektronicznych układów scalonych.

W celu realizacji powyższych wytycznych zaprojektowano, z wykorzystaniem technologii submikronowej CMOS 180nm, dwa wielokanałowe układy scalone o dwóch odmiennych architekturach toru odczytowego NEURO_A oraz NEURO_B. Dokonane analizy oraz pomiary tych układów wykazały, że postawione im na wstępie wymagania zostały spełnione. Dodatkowo, pomiary tychże układów unaoczniły pewne, specyficzne dla technologii submikronowych szkodliwe zjawiska. Są to prądy upływu w technologiach submikronowych oraz utrata jednorodności kluczowych parametrów układu wielokanałowego przy realizacji górnoprzepustowych filtrów o bardzo niskich dolnych częstotliwościach granicznych.

Wnioski płynące z analiz, projektu i pomiarów dwóch wspomnianych układów scalonych, pozwoliły na zaprojektowanie nowatorskiego wielokanałowego układu scalonego NRS64, który swoimi parametrami przewyższa inne ostatnio opisywane w literaturze tematu rozwiązania wielokanałowe. W układzie tym zastosowano dwustopniową korekcję kluczowych parametrów układu w każdym kanale odczytowym oddzielnie, co pozwoliło na uzyskanie bardzo niskich dolnych częstotliwości granicznych (na poziomie dziesiątek mHz) z ich wysoką jednorodnością w całym szerokim zakresie przestrajania pasma częstotliwościowego układu. Zastosowane w tym układzie nowatorskie metody pozwoliły rozwiązać bardzo istotne w technologiach submikronowych problemy dotyczące prądów upływu i możliwości uzyskiwania bardzo dużych precyzyjnie ustawianych rezystancji opartych o tranzystory MOS. Zaprojektowane układy zostały z powodzeniem wykorzystane do budowy wielokanałowych systemów pomiarowych przeznaczonych do rejestracji aktywności neuronalnej metodami in vivo i in vitro.

Pełna wersja autoreferatu autoreferat_kmon.pdf.

[1] P. Kmon, “Integrated circuit with tunable bandwidth for neural signal recording — Scalony układ elektroniczny z regulowanym pasmem czestotliwosciowym do pomiarów sygnałów neurobiologicznych” Electrical Review, 2010 r., nr 11a s. 90 –93
[2] P. Kmon, M. Żołądź, P. Gryboś, R. Szczygieł, “Wielokanałowy system do rejestracji sygnałów neurobiologicznych metodami in vitro i in vivo — Multichannel system for in vivo and in vitro neural signal recording”, Electrical Review, 2010 r., nr 9, s. 67 – 71
[3] P. Gryboś, P. Kmon, R. Szczygieł, M. Żołądź, “64 Channel ASIC based Acquisition System for Neurobiology Experiments”, Journal of Electronics and Telecommunications, Vol. 56, No. 4, pp. 375 – 380, 2010
[4] P. Gryboś, M. Kachel, P. Kmon, R. Szczygiel, T. Taguchi, “Low Noise 64-Channel ASIC for AC and DC Coupled Strip Detectors”, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 58, Issue: 1, pp. 187 – 193, 2011
[5] M. Żołądź, P. Kmon, P. Gryboś, R. Szczygieł, R. Kłeczek, P. Otfinowski, “A Bidirectional 64-channel Neurochip for Recording and Stimulation Neural Network Activity”, The 5th International IEEE EMBS Neural Engineering, Cancun, Mexico, April 2011
[6] P. Kmon, M. Żołądź, P. Gryboś, R. Szczygieł, “Design and measurements of 64-channel ASIC for neural signal recording”, 31st Annual International conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, EMBC 2009, Minneapolis, USA