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Publicação
Neuro-Inspired Ultra-low-power CMOS Electronic System (μW range) for ECG and BMI Applications
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 20.82 MB | Adobe PDF |
Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Brain-machine interfaces (BMIs) require major advances in electronics, so that constrains
such as the need of low power, small size, lightweight, and high bandwidth wireless-
communications with small data-rates can be solved, Sanchez et al. [1]. Continuous
time (CT) asynchronous data converters namely, analog-to-digital converters (ADCs)
and analog-to-time converters (ATCs), can be beneficial for certain types of applications,
such as, processing of biological signals with sparse information. A particular case of
these converters is the integrate-and-fire converter (IFC) that is inspired by the neural
system. This dissertation presents and compares two CT asynchronous ATC that do not
require an external clock signal. They are two low power IFC solutions, one analog and
the other a fully digital dynamic IFC [2, 3]. The first is a closed-loop analog IFC with
conventional blocks and on-chip capacitor, although not sacrificing either the chip area
or power. The latter, is an open-loop standard cell-based (SCB) IFC, fully synthesizable
(with the addition of two on-chip capacitors) and dynamic as each individual block can
be powered o↵. Both can be used as an analog frontend (AFE) without requiring external
blocks. Being fully-di↵erential - the analog solution is fully-di↵erential, the SCB one is
pseudo-di↵erential, it also benefits its performance in AFE applications. As both systems
are asynchronous, having a low power dissipation, and with pulse outputs with low data
rates, they are a good solution for edge applications, such as low power sensors AFE in
internet of things (IoT). Both have been designed and prototyped in a 130 nm CMOS
standard process. The analog version has a power dissipation of 53 μW, an energy per
pulse of 1060 pJ, and it can convert signals with a peak-to-peak amplitude of 0.6 mV to
2.4 mV and a frequency range of 10 Hz to 4 kHz, and the SCB version: 59 μW, 18 pJ -
which is one of the lowest energy per pulse consumption reported for IFC circuits, and 1.6 mV to 32 mV and 2 Hz to 42 kHz, respectively. The maximum pulse density (average
firing rate) for analog version is 50 kHz and SCB version 3300 kHz.
Interfaces cérebro máquina estão dependentes de avanços drásticos em electrónica, para que os constrangimentos de: baixa potência (BP), tamanho pequeno, leves e comunicações sem fios numa gama de frequências larga com baixas taxas de dados (BTD) possam ser endereçados, Sanchez et al. [1]. Conversores de dados assíncronos contínuos no tempo (CnT) (conversor analógico digital e conversor analógico temporal (CAT)) podem ser vantajosos para determinadas aplicações, como por exemplo, no processamento de sinais biológicos com escassa informação. Um caso particular destes conversores é o integração com disparo (ID) que é inspirado no sistema neuronal. Esta tese apresenta e compara dois CAT assíncronos, CnT, que não necessitam de um sinal de relógio externo. Consistem em duas soluções de ID de BP, uma analógica e a outra digital e dinâmica [2, 3]. A primeira consiste num ID analógico em malha fechada, com blocos convencionais e um condesador integrado, não sacrificando, no entanto, a área do chip ou potência. A segunda é um ID em malha aberta composto por blocos digitais, inteiramente sintetizável e dinâmico pois pode-se desligar cada bloco. Ambos são capazes de, sem necessitarem de blocos externos, serem usados como primeira interface analógica (PIA) num dispositivo que interage com o exterior. Sendo totalmente diferenciais - a solução analógica é totalmente e a baseada em células digitais padrão (BCD) é pseudo, apresentam uma melhor performance em aplicações de PIA. Como ambos sistemas são assíncronos, com uma BP e com sinais de saída em pulsos com BTD, são uma boa solução para aplicações limítrofes, como sensores de BP na internet das coisas. Ambos circuitos foram projectados e prototipados num processo CMOS padrão de 130 nm. A versão analógica dissipa 53 μW, tem uma energia por pulso de 1060 pJ e converte sinais com amplitude pico a pico de 0.6 mV a 2.4 mV e cobre uma gama de frequências de 10 Hz a 4 kHz e, a versão BCD: 59 μW, 18 pJ - que é uma das energias por pulso mais baixas, reportadas para circuitos de ID, 1.6 mV a 32 mV e 2 Hz a 42 kHz, respectivamente. A densidade de pulsos máxima (taxa média de disparo) para a solução analógica é 50 kHz e para BCD é 3300 kHz.
Interfaces cérebro máquina estão dependentes de avanços drásticos em electrónica, para que os constrangimentos de: baixa potência (BP), tamanho pequeno, leves e comunicações sem fios numa gama de frequências larga com baixas taxas de dados (BTD) possam ser endereçados, Sanchez et al. [1]. Conversores de dados assíncronos contínuos no tempo (CnT) (conversor analógico digital e conversor analógico temporal (CAT)) podem ser vantajosos para determinadas aplicações, como por exemplo, no processamento de sinais biológicos com escassa informação. Um caso particular destes conversores é o integração com disparo (ID) que é inspirado no sistema neuronal. Esta tese apresenta e compara dois CAT assíncronos, CnT, que não necessitam de um sinal de relógio externo. Consistem em duas soluções de ID de BP, uma analógica e a outra digital e dinâmica [2, 3]. A primeira consiste num ID analógico em malha fechada, com blocos convencionais e um condesador integrado, não sacrificando, no entanto, a área do chip ou potência. A segunda é um ID em malha aberta composto por blocos digitais, inteiramente sintetizável e dinâmico pois pode-se desligar cada bloco. Ambos são capazes de, sem necessitarem de blocos externos, serem usados como primeira interface analógica (PIA) num dispositivo que interage com o exterior. Sendo totalmente diferenciais - a solução analógica é totalmente e a baseada em células digitais padrão (BCD) é pseudo, apresentam uma melhor performance em aplicações de PIA. Como ambos sistemas são assíncronos, com uma BP e com sinais de saída em pulsos com BTD, são uma boa solução para aplicações limítrofes, como sensores de BP na internet das coisas. Ambos circuitos foram projectados e prototipados num processo CMOS padrão de 130 nm. A versão analógica dissipa 53 μW, tem uma energia por pulso de 1060 pJ e converte sinais com amplitude pico a pico de 0.6 mV a 2.4 mV e cobre uma gama de frequências de 10 Hz a 4 kHz e, a versão BCD: 59 μW, 18 pJ - que é uma das energias por pulso mais baixas, reportadas para circuitos de ID, 1.6 mV a 32 mV e 2 Hz a 42 kHz, respectivamente. A densidade de pulsos máxima (taxa média de disparo) para a solução analógica é 50 kHz e para BCD é 3300 kHz.
Descrição
Palavras-chave
IFC Neuroelectronics BMI electrocardiogram (ECG) Analog mixed-signal SCB