Analog Compressive Sensing for Multi-Channel Neural Recording: Modeling and Circuit Level Implementation

Dans cette thèse, nous présentons la conception d'un implant d'enregistrement neuronal multicanaux avec un échantillonnage compressé mis en oeuvre avec un procédé de fabrication CMOS à 65 nm. La réduction de la technologie a˙ecte à la baisse les paramètres des amplificateurs neuronaux couplés en AC, comme la fréquence de coupure basse, en raison de l'e˙et de canal court des transistors MOS. Nous analysons la fréquence de coupure basse et nous constatons que l'origine de ce problème, dans les technologies avancées, est la diminution de l'impédance d'entrée de l'amplificateur opérationnel de transconductance (OTA) en raison de la fuite d'oxyde de grille à l'entrée des OTA. Nous proposons deux solutions pour réduire la fréquence de coupure basse sans augmenter la valeur des condensateurs de rétroaction de l'étage d'entrée. La première solution est appelée rétroaction positive croisée et la deuxième solution utilise des PMOS à oxyde épais dans la paire de l'entrée di˙érentielle de l'OTA. Il est à noter que pour compresser le signal neuronal, nous utilisons le CS dans le domaine analogique. Pour la réalisation, un intégrateur à capacité commutée est requis. Les paramètres non idéaux de l'OTA utilisé dans cet intégrateur, tels que le gain fini, la bande passante, la vitesse de balayage et le changement rapide de la sortie. Toutes ces imperfections induisent des erreurs et réduisent le rapport signal sur bruit (SNR) total. Nous avons simulé ces imperfections sur Matlab et Simulink pour définir les spécifications de l'OTA requis. Aussi, pour concevoir les circuits analogiques correspondant aux interfaces neuronales requises, tels qu'un amplificateur neuronal, une référence de tension compacte et à faible consommation d'énergie est requise. Nous avons proposé une référence de tension de faible consommation d'énergie sans utiliser le transistor bipolaire parasite de la technologie CMOS pour diminuer la surface de silicium requise. Finalement, nous avons complété l'encodeur de CS et un convertisseur analogique-numérique à approximation successive (SAR ADC) requis pour la chaine d'enregistrement des signaux neuronaux dans ce projet.

Abstract

In this thesis we present the design of a multi-channel neural recording implant with analog compressive sensing (CS) in 65 nm process. Scaling down technology demotes the parameters of AC-coupled neural amplifiers, such as increasing the low-cuto˙ frequency due to the short-channel e˙ects of MOS transistors. We analyze the low-cuto˙ frequency and find that the main reason of this problem in advanced technologies is decreasing the input resistance of the operational transconductance amplifier (OTA) due to the gate oxide static current leakage in the input of the OTA. In advanced technologies, the gate oxide is thin and some electrons can penetrate to the channel and cause DC current leakage. We proposed two solutions to reduce the low-cuto˙ frequency without increasing the value of the feedback capacitors of the front-end neural amplifier. The first solution is called cross-coupled positive feedback, and the second solution is utilizing thick-oxide PMOS transistors in the input di˙erential pair of the OTA. Compress the neural signal, we utilized the CS method in analog domain. For its implementation, a switched-capacitor integrator is required. Non-ideal specifications of OTA of CS integrator such as finite gain, bandwidth, slew rate and output swing induce error and reduce the total signal to noise ratio (SNR). We simulated these non-idealities in Matlab and Simulink and extracted the specification of the required OTA. Also, to design analog circuits such as neural amplifier a low power and compact voltage reference is required. We implemented a low-power band-gap reference without utilizing parasitic bipolar transis-tor to decrease the silicon area. At the end, we completed the CS encoder and successive approximation architecture analog-to-digital converter (SAR ADC).