Index of /rozprawy2/10364

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 NEUROA oraz NEUROB. 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.

This work presents the design and analyses of the multi channel integrated electronic systems processed in the submicron technology and dedicated to neurobiology experiments. Such systems involve fulfilling many requirements, which are often opposing. For instance, these are low noise performance and low power consumption of a single recording channel. Next, the spread from channel to channel of main parameters of such a system is very important and is inversely proportional to the dimensions of the channel elements what clashes with the final area occupied by the entire multi channel system. Additionally, need to further development of such systems with a stimulation blocks, data compression circuits or wireless data and energy transmission, involves from one to employ the modern submicron processes. In order to fulfill above requirements, in submicron CMOS 180nm process, two different multi channel ASICs NEURO_A and NEUROB were designed. Analyses and measurements of these ASICs were performed and revealed that all requirements were fulfilled. Mesurements of these multi channel circuits revealed two aspects that are very important and destructive in submicron processes. These are leakage currents and low uniformity of main parameters of the high pass filters with extremely low cut off frequency. Obtained results from analyses, design, and measurements led to the next design of a novel multi channel integrated circuit NRS64 which parameters are one of the best in the reported area. In this system the individual correction circuits were employed what resulted with the ability in obtaining extremely low cut off frequencies with its high uniformity from channel to channel. Novel design methods that were employed in this circuit allowed to solve problems that are very important in the modern submicron processes. Namely, these are leakage currents and inability of obtaining extremely high precisely set MOS based resistance. Designed multi channel ASICs were successfully employed in the multi channel systems for recording neural network activity. These are 256-channel system for in vitro experiments and 64-channel system for in vivo experiments.