Charge Pumps for Implantable Microstimulators in Low and High-Voltage Technologies

The main objective of the thesis is to design and implement a charge pump that can produce enough voltage required to be implemented to the visual prosthesis system, designed by the PolyStim Neurotechnologies laboratory. It has been found that one of the most power consuming parts of the whole visual prosthesis system is the charge pump. Due to the variable nature of the nerve tissue and electrode interface, the required voltage of stimulating the nerve tissue is very high and thus extremely power consuming. Also, in order to provide biphasic current to the electrodes, there is a requirement of generating both positive and negative voltages. Generating negative voltage is very hard especially in low voltage technologies considering the technology limitations. The first objective of the project is to generate required high voltage that will consume low static power. High voltage technology has been used to achieve the goal. The second objective is to generate the required voltage in low voltage technology overcoming the technology limitations. In both cases, special care has been taken so that no latch-up occurs for the negative cycle. Architecture of the proposed design has been presented in this thesis. The charge pump has been designed and implemented in both 0.8 µm CMOS technology offered by TELEDYNE DALSA and 0.13 µm CMOS technology offered by IBM. Because of the required voltage, 0.8 µm technology has been used to achieve the output and designed to minimize the static power consumption. The same architecture has been implemented in 0.13 µm technology to investigate the achievable output voltage with low power consumption. Both the chips have been tested in polyStim laboratory. The tested results have shown very low variation of less than 5% average deflection from the simulation output. For the design in 0.8 µm, we have been able to get more than 25 V output with very low static power consumption of 3.846 mW and maximum drive load of 2 mA with maximum efficiency of 84.2%. For the same design in 0.13 µm, the outputs were more than 20V, 0.913 mW, 500 µA, and 85.2% respectively.

Résumé

L'objectif principal de cette thèse est de concevoir et mettre en œuvre une pompe de charge qui peut produire suffisamment de tension afin de l'implémenter à un système de prothèse visuelle, conçue par le laboratoire PolyStim neurotechnologies. Il a été constaté que l'une des parties les plus consommatrices d'énergie de l'ensemble du système de prothèse visuelle est la pompe de charge. En raison de la nature variable du tissu nerveux et de l'interface d'électrode, la tension nécessaire par stimuler le tissu nerveux est très élevé et consomme extrêmement d'énergie. En outre, afin de fournir du courant biphasique aux électrodes il faut produire des tensions positives et négatives. La génération de tension négative est très difficile, surtout dans les technologies à faible tension compte tenu des limites de la technologie. Le premier objectif du projet est de générer la haute tension nécessaire qui va consommer une faible puissance statique. La technologie de haute tension a été utilisée dans le but d'atteindre cet objectif. Le deuxième objectif est de générer la tension requise dans la technologie de basse tension et ainsi surmonter les limites de la technologie. Dans les deux cas, une attention particulière a été portée afin que personne ne latch-up apparaît pour le cycle négatif. L'architecture de la conception proposée a été présentée dans cette thèse. La pompe de charge a été conçu et mis en oeuvre à la fois dans la technologie CMOS 0,8 μm offert par TELEDYNE DALSA et technologie 0,13 μm CMOS offert par IBM. En raison de la tension requise, 0,8 μm technologie a été utilisée pour atteindre la sortie et conçu pour minimiser la consommation de puissance statique. La même architecture a été mise en oeuvre en technologie 0,13 μm pour enquêter sur la tension de sortie obtenue avec une faible consommation électrique. Les deux puces ont été testées en laboratoire PolyStim. Les résultats testés ont montré une variation moyenne très faible de déviation inférieure à 5% par rapport au résultat de simulation. Pour la conception en 0,8 µm, nous avons été en mesure d'obtenir plus de 25 V avec une consommation électrique très faible d'énergie statique de 3,846 mW et une charge d'entraînement maximum de 2 mA avec un maximum d'efficacité de 84,2%. Pour le même processus en 0,13 µm, les resultats ont été plus que 20V, 0,913 mW, 500 µA, et 85,2% respectivement.