Power Management for Neural Signal Acquisition IC
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2017-05-22
Department
Major/Subject
Micro- and Nanoelectronic Circuit Design
Mcode
ELEC3036
Degree programme
NanoRad - Master’s Programme in Nano and Radio Sciences (TS2013)
Language
en
Pages
51 + 8
Series
Abstract
Wireless biosignal measurement is a growing opportunity to increase the efficiency of medical procedures: An integrated circuit (receiver) is implanted inside human tissue and it’s output can be read wirelessly with a transmitter that also provides energy for the implant. This method requires RFID technology, where wireless data is transmitted in the RF-band back-and-forth between the receiver and transmitter. The receiver can be implemented either as an active design, where a local power supply is required inside the receiver, or as a passive design without internal energy storage. However, as the modern CMOS process is fairly advanced and the power consumption is low - passive designs are the most common. In the passive design the power for the receiver is drawn from the electromagnetic field transmitted to the chip, generally with electromagnetic induction. A design and implementation of an 860 MHz UHF-band RFID power system is presented in this work and its performance evaluated. The system was designed for a wireless EEG (electroencephalography) reader that can be implanted under the skalp – but the design principles can be expanded upon any RF-band RFID system. The final system works with an input power of -6.8 dBm with a startup time of slightly below 40 µs with specifications of 700 mV to 150 µA load. The LDO line regulation achieves a -51 dB level at DC with the full bandwidth covered. The RF Rectifier uses the design principles of a cross-coupled rectifier and a 63% conversion efficiency is achieved with the proposed matching circuitry. The reference circuitry is designed with the Betamultiplier architecture and expanded slightly to improve the current consumption in the circuit. The reference current is set at 100 nA and reference voltage at 400 mV.Langaton biosignaalien mittaus mahdollistaa yleisien lääketieteellisien signaalien mittauksien tehokkuuden kasvamista: Integroitu elektroninen piiri voidaan asentaa ihmisen kudokseen ja tämän sirun ulosantama tieto voidaan lukea langattomasti lukijalla, mikä useassa tapauksessa toimittaa myös energian sirulle. Tämä teknologia vaatii RFID teknologiaa, mikä on hyvin tunnettu ja tutkittu langattoman datan siirtämiseen kehitelty teknologia radiotaajuuksilla lukijan ja vastaanottimen välillä. Lukija voidaan suunnitella sekä passiiviseksi että aktiiviseksi, mutta modernin CMOS- teknologian tehonkulutus ominaisuuksien vuoksi RFID-lukijat ovat yleisesti passiivisia. Passiivisessa RFID suunnittelussa lukija vastaanottaa tarvitsemansa energian vastaanottimelta yleisesti elektromagneettisen induktion avulla. 860 MHz UHF-kaistan suunnitelu ja toteutus käydään läpi tässä työssä ja suorityskyky on mitattu simulaatioilla. Itse järjestelmä oli alunperin suunniteltu langattomaan EEG-lukijaan (aivosähkökäyrä), minkä pystyisi asentamaan päänahan alle - mutta periaatteet pätevät mihin tahansa RF-kaistan järjestelmään. Lopullinen järjestelmä toimii -6.8 dBm sisääntuloteholla ja käynnistysmisaika on hieman alle 40µs 700 mV ja 150 µA kuormaan. Linjaregulaatio saavuttaa -51 dB arvon alhaisilla taajuuksilla ja regulaatio on koko kaistan kattava. RF-tasasuuntaaja saavuttaa 63 % AC-DC huippu tehonmuutosarvon ehdotetulla impedanssien sovituspiirillä. Referenssipiiri on suunnitellu Betamultiplier-arkkitehtuurilla ja modifioitu pienentämään virrankulutusta. Referenssit ovat 100 nA ja 400 mV.Description
Supervisor
Ryynänen, JussiThesis advisor
Kosunen, MarkoKeywords
RFID, energy harvesting, EEG, modular implant, LDO, rectifier