Amplificadores de muy bajo ruido y mínimo consumo de energía, para aplicaciones médicas implantables

Abstract

Este trabajo se centra en los amplificadores de muy bajo ruido y micro-consumo de potencia, tomando como ejemplo la detección de señales nerviosas (ENG) para su aplicación en dispositivos implantables. Si bien el ancho de banda de las señales médicas es reducido, como son en muchos casos de amplitud extremadamente pequeña, la principal dificultad para el diseño de circuitos será el bajo ruido combinado con micro o nano-consumo de potencia. En efecto, existe una relación de compromiso conocida entre ruido a la entrada y consumo de corriente en un amplificador que el diseñador debe optimizar. Este trabajo esencialmente intenta responder la pregunta: ¿cómo aprovechar al máximo la energía disponible en la batería de un implante para alimentar un amplificador de muy bajo ruido? A lo largo de esta tesis se presentarán técnicas innovadoras de circuito para aprovechar mejor la energía disponible. En primer lugar, se analiza el uso de los espejos activos como sustitución de los espejos de corriente de dos transistores tradicionales. Se estudiaron analíticamente y mediante simulaciones las ventajas y desventajas; luego se diseñó, fabricó y caracterizó un espejo de corriente activo que funciona como fuente de corriente de 10μA con menos de 100mV de caída de voltaje en una tecnología de 0.6μm. En segundo lugar, se presenta la idea de reutilización de corriente apilando sucesivos pares diferenciales como forma de aprovechar todo el rango de tensión de la batería en un circuito analógico. Se demuestra en forma analítica y con medidas sobre un circuito fabricado, que la técnica es extremadamente eficiente en el compromiso entre consumo de corriente y ruido. Se diseñó, fabricó, y caracterizó un amplificador para señales ENG que apila doce pares diferenciales de entrada funcionando con una batería de 3.6V (nominales), con un consumo total de 16.5μA y una ganancia en la banda pasante de ≈80dB. Tiene un ancho de banda de 4kHz y el ruido medido a la entrada de 4.5nV/Hz1/2@1kHz y 330nVrms en la banda de interés. El amplificador tiene un NEF medido de 0.84, incluso considerando el consumo de todos los circuitos auxiliares, lo cual parece ser el primer amplificador reportado con un NEF<1. Finalmente, se estudia un conversor DC-DC inductivo de microconsumo como otra alternativa para reducir el consumo de corriente de la batería en circuitos analógicos. Se diseñó, fabricó y caracterizó un conversor DC-DC inductivo del tipo step-down, que reduce el voltaje de 3.6V a 0.6V para un consumo de 36μW. Este conversor podría alimentar un solo par diferencial complementario (un NMOS y un PMOS apilados) con seis veces más corriente, en sustitución de los seis pares diferenciales complementarios apilados previamente.

This work focuses on electronic amplifiers with very low noise and micro/nano power consumption. We selected an amplifier for the detection of nerve signals (ENG) in implantable medical devices as a case study. While the bandwidth of medical signals is relatively low, as the signals are generally of extremely low amplitude, the main challenge for the circuit designer is to achieve low noise combined with low power consumption. Indeed, there is a well-known relationship between noise at the amplifier’s input and electrical current consumption of the amplifier. In this work, we evaluated how to power a low noise amplifier using the maximum amount of available energy from an implantable device’s battery. Throughout this thesis, we present novel circuit techniques to better utilize the available energy. Firstly, we analyzed the use of active mirrors instead of traditional two transistor current mirrors. We studied the advantages and disadvantages of active mirrors analytically and with simulations. We designed, fabricated and tested an active mirror that works as a 10μA current source with less than 100mV voltage drop in a 0.6μm technology. Secondly, we introduced the idea of reusing current by stacking differential pairs, to better utilize the voltage range of the battery. This topology is shown to be extremely efficient in the trade-off between current consumption and generated noise. We designed, fabricated and tested an amplifier for ENG signals that stacks twelve differential pairs and works with a 3.6V (nominal) battery, consumes 16.5μA and has a gain of ≈80dB in the passing band. The amplifier has a bandwidth of 4kHz, and a measured noise of 4.5nV/Hz1/2@1kHz and 330nVrms in the band of interest. The amplifier has a measured NEF of 0.84 even considering the consumption of all the auxiliary circuits, which makes it, to the best of our knowledge, the first amplifier reported with an NEF<1. Finally, we studied inductive DC-DC converters with micro-consumption as an alternative way to reduce consumption without introducing extra noise. We designed, fabricated and tested a step-down inductive DC-DC converter, that reduces voltage from 3.6V to 0.6V for a 36μW load. This converter could power one complementary differential pair (only one stacked PMOS and NMOS differential pair) with six times the electrical current, and could be used instead of the six complementary differential pairs used previously.