A 1.05 NEF stacked cascode inverter-based amplifier for neural signal recording

Abstract

Strømeffektive lavstøy forsterkere er en viktig del av moderne bærbare biosensorer på grunn av deres liten størrelse og lav batterikapasitet. Denne rapporten presenter en stablet forsterker med en cascode-invertererbasert topologi som et veldig strømeffektivt design. Forsterkeren er meget støy-effektiv, bruker lite energi og leverer uansett høy forsterkning med en båndbredde på flere kHz. For å minimere forsyningsspenningen brukes noen av inntakstransistorene også som strømspeil. For å kunne presentere en robust forsterker til tross for at de fleste transistorer har en Vds av rundt 100 mV bruker designet negativ feedback og spesielt hensyn ble lagt på stabiliteten av common-mode tilbakemeldingskretsen. Forspenningen av cascode-transistorene blir levert av diode-tilkobletetransistorer for å balansere komplekshet og robusthet.Med en forsyningsspenning av 1.35 V og en forspenningsstrøm på 0.5μA erden designede forsterkeren i stand til å gi en lukket sløyfeforsterkning på 40 dB på to kanaler. Dette gir et strømforbruk på bare 337.5 nW per kanal. Samtidiger systemet også svært støyeffektivt med en NEF på 0.9 når det ikke er flimmerstøy. Hvis vi inkluderer flimmerstøy, er NEF 1.052, noe som fremdeles er en lav verdi sammenlignet med andre toppmoderne systemer. Støygulvet er på 35.7 nV/√Hz, til tross for en parasittisk inngangskapasitans på nesten 2.5 pF som reduserer effektiviteten til forsterkeren. Forsterkerens båndbredde varierer fra 3.5 Hz til 10.5 kHz med en lastekapasitans på 1.5 pF.

Low noise amplifiers are an important component of modern wearable biosensors. These sensor systems typically have a heavily limited battery capacity which makes power efficiency an important factor when designing their parts. This work presents a stacked cascode inverter-based amplifier as a feasible topology for current-efficient neural signal amplifiers. It is a highly noise efficient design with low power usage that still can provide high gain and a multiple kHz bandwidth. To minimize the supply voltage some of the input transistors also serve as current mirrors. Special care has also been taken to be able to present a robust amplifier despite a Vds of around 100 mV for most of the transistors. NegativeDC-feedback has been incorporated as well as especially robust CM-feedback to ensure the stability of the output nodes. The cascode transistors are biased by diode-connected transistors in a compromise between overall complexity and robustness. With a supply voltage of 1.35 V and a total bias current of 0.5μA, the designed amplifier can provide a closed-loop gain of 40 dB on two channels. This gives a power consumption of only 337.5 nW per channel. Simultaneously the system is also highly noise efficient with an NEF of 0.9 when excluding flicker noise. When including flicker noise the NEF is 1.052 which is still a low value compared to other state-of-the-art systems. The noise floor is at 35.7 nV/√Hz, despite a parasitic input capacitance of nearly 2.5 pF diminishing the effectiveness of the amplifier. The bandwidth of the amplifier is from 3.5 Hz to 10 500 Hz with a load capacitance of 1.5 pF.