Низкочастотный усилитель — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3
Cтраница 3
Усилители с коррекцией дрейфа — это низкочастотные усилители; их высшая граничная частота / в лимитируется частотой переключения ключевых элементов / кл. Для воспроизведения сигналов без искажений в области высших частот требуется выполнение условия / в 0 1 / кл. Недостатком рассмотренных усилителей с коррекцией дрейфа является также наличие ключевых элементов с присущими им недостатками. [31]
Эти последние схемы могут использоваться в низкочастотных усилителях, поэтому подробно останавливаться на их динамических характеристиках не имеет особого смысла. [32]
Ко второй группе усиливающих устройств обычно относится низкочастотный усилитель, выполненный в виде интегральной схемы. На вход такого усилительного устройства подаются низкочастотные сигналы прямоугольной формы, а его выход подключается к громкоговорителю. [33]
В станционное оборудование узлов ТПВ входят:
Иногда самовозбуждение возникает только при максимальном усилении низкочастотного усилителя. [35]
Рассмотрим пример проверочного расчета и особенностей наладки простейшего низкочастотного усилителя. В качестве основной принята схема включения с общим эмиттером, так как она позволяет получить большой коэффициент усиления по мощности и ее питание можно осуществить от одного источника. [36]
В этой и последующих двух главах будут рассмотрены низкочастотные усилители на плоскостных триодах. В этой главе описаны факторы, ограничивающие нормальную работу кристаллического триода, и детально рассмотрены методы установления рабочей точки и ее стабилизации. Вследствие изменений характеристик, вызываемых колебаниями температуры окружающей среды, обычно бывает необходимо стабилизировать рабочую точку с помощью обратной связи по цепям постоянного тока. Здесь будут проанализированы некоторые методы стабилизации рабочей точки. Приводятся методы инженерного расчета для схем, компенсирующих относительно большие изменения в характеристиках кристаллических триодов и позволяющих сохранить при этом положение рабочей точки в заданных пределах. Обеспечение возможности замены кристаллических триодов в схемах с фиксированными величинами элементов является одним из основных требований, предъявляемых к расчетам практикой использования триодов. [37]
Структурная схема УПТ с преобразованием. [38] |
Переменное напряжение с выхода модулятора поступает на вход низкочастотного усилителя переменного напряжения. [39]
Для получения равномерного усиления в качестве нагрузок в низкочастотных усилителях используют так называемые апериодические элементы: резисторы, трансформаторы и дроссели. [40]
В радио — и телевизионных приемниках находят широкое применение мощные низкочастотные усилители. Усилители, используемые в этих устройствах, обычно имеют номинальную выходную мощность, меняющуюся в диапазоне от доли ватта примерно до 20 вт. Эти уровни мощности лежат в диапазоне, который может быть обеспечен современными мощными кристаллическими триодами. В этой главе основное внимание будет уделено усилителям мощности, работающим на звуковых частотах. [41]
Стремясь свести к минимуму размеры и расширить полосу частот современных низкочастотных усилителей и выходных каскадов, стараются, где это возможно, обойтись без трансформаторов. Примером такой схемы служит усилитель, показанный на фиг. [42]
При большой протяженности линий ГТС для увеличения дальности связи применяют низкочастотные усилители. Кроме того, ада кабельных линиях ГТС используется способ уменьшения затухания цепей связи с помощью искусственного увеличения их индуктивности.
Наибольшее распространение имеют триоды серии П4, которые используются в оконечных каскадах низкочастотных усилителей, схемах преобразования напряжения и многих других устройствах автоматики. В последней графе таблицы даны величины предельной мощности, рассеиваемой коллектором, при наличии идеального радиатора, который хорошо отводит тепло, и поэтому температура его поверхности не превосходит 25 — 30 С. [44]
Германиевые сплавные р-п-р-транзисторы предназначены для работы в схемах переключения, выходных каскадах
Страницы: 1 2 3 4
PAM-510 усилитель НЧ 120ВТ — Усилители мощности
- org/ListItem»>Каталог
- Системы оповещения
- Усилители мощности трансляционные
- PAM-510
1 год гарантии
- Производитель: Inter-M
- Поделиться
-
- К сравнению
- Код товара: 209-030
474 просмотра
146496. 00 ₽
Рекомендованная цена
143 566 ₽
Спецпредложение до 10.10.2022
Доставка Москва
В наличии
Транзитный склад: 1 шт
Подобрать похожие
Курьерская доставка
бесплатно
Доставка в ПВЗ
бесплатно
Оплата
- Безналичная оплата по счету
- Оплата картой по счету
Оставить отзыв
- Описание
- Характеристики
- Доставка
- Документация
- Консультация
Модульный микшер-усилитель, 5 зон, 120 Вт, 2 лин. , 4 унив. входа, вход АТС, RM-05A, режим EM, Voice File
Назначение: микшер-усилитель предназначен для построения многозоновых систем оповещения и музыкальной трансляции.
Основные особенности PAM-510:
- В устройстве предусмотрены возможность установки модуля CD/MP3 проигрывателя PAM-CDM, AM/FM тюнера PAM-T или медиа проигрывателя PAM-MPM4, возможность подключения удаленной микрофонной панели RM-05A, кнопочный селектор на 5 зон, возможность подключения прибора ОПС, встроенный голосовой файл с записанным тревожным сообщением, 4 универсальных и 2 линейных входа, линейный вход для подключения АТС, возможность дистанционного включения, 5-ступенчатые аттенюаторы для каждой зоны, защита акустических систем от постоянного напряжения, светодиодные индикаторы режимов работы, уровня выходного сигнала и срабатывания защиты, генераторы сигналов `ГОНГ` и `СИРЕНА`. Первый и второй микрофонные входы и вход для подключения АТС являются приоритетными.
- С помощью входящих в комплект кронштейнов усилитель может быть установлен в 19` стойку.
Функциональные возможности:
- Подключение удалённой микрофонной консоли RM-05A. С помощью удалённой микрофонной консоли RM-05A можно осуществлять голосовое оповещение на дистанции до 500 метров от усилителя.
- Режим автоматического оповещения о пожаре. Режим автоматического оповещения реализуется благодаря встроенной микросхеме голосового файла с записанным тревожным сообщением.
- Возможность комплектования модулем музыкальной трансляции. Усилитель рассчитан на установку одного из модулей — CD/MP3-проигрывателя PAM-CDM, AM/FM-тюнера PAM-T или медиапроигрывателя PAM-MPM4.
- 4 универсальных и 2 линейных входа. Универсальные входы предназначены для подключения динамических и конденсаторных микрофонов или источников сигнала линейного уровня. Линейные входы предназначены для подключения источ ников сигнала только линейного уровня.
- Приоритетный вход для подключения АТС. Вход для подключения АТС имеет наивысший приоритет — при появлении на нём сигнала приглушается трансляция со стороны остальных входов.
- Универсальный вход с приоритетом. Первый универсальный вход имеет второй высокий приоритет, уступающий только входу сопряжения с АТС. Появление сигнала на этом универсальном входе автоматически приглушает любую трансляцию, за исключением сигнала от АТС.
- Селектор на 5 зон оповещения с индивидуальными аттенюаторами. Селектор позволяет выбрать любую комбинацию подключения зон и задать один из шести уровней громкости для каждой из зон.
- Контроль телефонного вызова через систему оповещения. В необходимый период времени система оповещения позволяет отслеживать входящие телефонные
Технические характеристики:
Резервное питание от АКБ |
есть |
Назначение |
авт. оповещение и трансляция |
Тип усилителя |
аналоговый (класс AB) |
Количество установочных мест |
3 U |
Кронштейн для установки в 19″-й шкаф |
в комплекте |
Количество зон |
5 |
Функция автоматического оповещения |
есть |
Встроенные источники сигнала |
PAM-T, PAM-CDM, PAM-MPM4 (поставляются отдельно), гонг, сирена |
Количество микрофонных входов |
0 |
Функция пейджинга через АТС |
есть |
Возможность подключения RM-05A |
есть |
Количество линейных входов |
2 |
Потребляемая мощность в дежурном режиме (24 В) |
15,4 Вт |
Максимальная потребляемая мощность (24 В) |
257 Вт |
Потребляемая мощность (при 1/8 от номинальной выходной мощности) |
31,8 Вт |
Габаритные размеры упаковки (Ш×В×Г) |
575×250×530 мм |
Масса оборудования с упаковкой |
19. 90 кг |
Вес (нетто) |
16,84 кг |
Количество универсальных входов |
4 |
Максимальная выходная мощность |
120 Вт |
Габаритные размеры (Ш×В×Г) |
445×135×408 мм |
Параметры выхода усилителя |
100 В / 4 Ом |
Напряжение питания |
220 В 50 Гц или 24 В пост. тока |
Потребляемая мощность в дежурном режиме (230 В) |
31 Вт |
Максимальная потребляемая мощность (230 В) |
370 Вт |
- Тип усилителя: Микшер-усилитель
- Номинальная мощность на канал (Вт): 120
- Производитель: Inter-M
- Кол-во каналов оповещения: 1
- Полоса частот (Гц) >: 80
- Полоса частот (Гц)
- Класс усилителя мощности: Аналоговый (класс AB)
- Радиотюнер: Нет
- Стандарт линии оповещения: 100 В, 4 Ом
- Формат аудио: Нет
- Формат звуковых носителей: Нет
Документация:
- Инструкция PAM-510
- Сертификат соответствия
- Сертификат транспортной безопасности
Консультация
Задайте вопрос специалисту о PAM-510 усилитель НЧ 120ВТ
Самовывоз из офиса:
Пункт выдачи:*
Доставка курьером:*
Транспортные компании:
Почта России:*
* Срок доставки указан для товара в наличии на складе в Москве
Отзывы о PAM-510:
Ваш отзыв может быть первым!
С этим товаром часто покупают:
Проект № 6 «Усилители НЧ» — Радиоэлектроника и робототехника
Усилители класса А
Усилитель класса А Джона Линсли Худа 1969 года (John Linsley-Hood, в народе JLH 1969)
Всё об усилителе JLH. Часть I — рождение легенды
Всё об усилителе JLH. Часть II — после сборки обработать напильником
Всё об усилителе JLH. Часть III — второе пришествие
Всё об усилителе JLH. Часть IV — немного эзотерики
Всё об усилителе JLH. Часть V — продолжение следует?
Всё об усилителе JLH. Часть VI — Правильное питание — залог здоровья!
Усилители класса B
Усилители класса АB
Усилители класса D
Замеры усилителей
Защита акустических систем на специализированной микросхеме uPC1237
Обязательно смотреть видео, т.к. для усилителей с мостовым подключением стерео варианты на одной плате не подойдут из-за того, что два канала имеют общую «землю». Выход в использовании двойного набора из двух независимых плат. Возможно, что платы с двумя реле, имеющие по две пары контактов избавлены от этого недостатка, но информации об этом нет. В любом случае это нужно проверить и в крайнем случае можно удалить лишние дорожки или вынести реле с платы.
Разводка по питанию
Коммутатор входов
Aiyima RCA аудио коммутатор Вход выбор доска лотоса сиденье стерео реле 4 аудиоданных Вход сигнала Селекторное переключение усилитель DIY
Микшер
Mикшер MX400 на AliExpress
Mикшер LEORY на AliExpress
Темброблок
Вариант 1
Статья «Регулятор тембра (Темброблок)» DIY, НЧ, СЧ, ВЧ и громкость, 14-20V AC с возможностью переделки на однополярное питание до 24В.
На AliExpress.
Плюсы:
- Данный темброблок необходим и согласовывается в работе с усилителем мощности (УМ) на TPA3116D2, которому необходим предварительный усилитель для регулировки громкости, баланса и тембра. TPA3116D2 имеет регулировку чувствительности и на максимальной чувствительности может работать с пассивным темброблоком и регулятором громкости, но на высокой чувствительности данного усилителя от «Чип и Дип» заметно шумит, что вечером при снижении общего шума неприятно слышно. Соответственно, чувствительность устанавливается на норме с добавлением малошумящего предусилителя на операционном усилителе (ОУ), что и делает данный темброблок.
- Набор для сборки (DIY, KIT).
- Трёх полосная регулировка тембра, по сути это трёх полосный эквалайзер.
- ОУ NE5532 на панельке, что позволяет оперативно без пайки их менять между собой и заменить на более качественные, например на OPA2134.
- Отличное соотношение цена / качество.
- Приобретён и собран для тестирования. Претензий к качеству платы и деталей нет.
- Не шумят в паре с TPA3116D2 от «Чип и Дип».
Минусы:
- Двухполярное питание 14-20V AC. На плате размещается выпрямитель, фильтр и стабилизатор L7812, L7912. Решается сборкой или приобретением схемы двухполярного питания из однополярного, или создание средней точки. Двухполярное питание с выпрямителем для подобного устройства вполне нормально, однако, если мы планируем использовать с УМ TPA3116D2 питание которого однополярное 24V, то целесообразно данный темброблок запитать от одно источника питания с УМ TPA3116D2.
- Нет регулировки баланса. Решается установкой на выходе спаренного резистора, запаса по усилению должно быть достаточно.
- В комплекте нет стоек.
Рекомендации по сборке. Входные разъёмы RCA, выходные колодки и питания не впаивать, т.к. мы используем PLS разъёмы.
Усилитель для портативной Bluetooth колонки TPA3110D2 2х15Вт, 3S Li-ion 18650
Сетевой мультирум Up2Stream AMP Arylic
High-End
High End — маркетинговый термин, обозначающий высочайший («элитный») класс, как правило, звукоусиливающего аппаратного и программного обеспечения. В отличие от Hi-Fi, в номенклатуре cовременной радиоэлектроники для понятия «High End» отсутствуют регламентирующие стандарты, ГОСТы или другие характеристики, способные квалифицировать High End тем или иным образом. Заявляемые производителем товары класса High End, как правило, имеют в своём составе только высококачественные компоненты, использование которых в некоторых случаях бывает экономически необоснованно. При разработке изделий класса High End применяются, как правило, самые современные, нередко «революционные» идеи для достижения максимально возможного положительного результата, иногда экономически нецелесообразные не только для массового производства, но и для ограниченной партии и рассчитанные на продвижение бренда в среде конкурентов.
High-End вариант 1: Iraudamp 7S
Искать «Iraudamp7S» на AliExpress
Полу профессиональный импульсный синусоидальный блок питания SMPS500R
User’s_Manual_IRAUDAMP7S_R1 3.doc
Усилитель на IRS2092 или попытка сравнить несравнимое
High-End вариант 2: TPA3255
High-End вариант 3: ICEpower
Сайт ICEpower
Cерия ASX на сайте ICEpower
Статья о компании ICEpower «У истоков усиления в классе D»
Брошюра ICEpower ASX2 Series
Информация о продукции ICEpower
50ASX2 Datasheet 125ASX2 Datasheet
50ASX2 на AliExpress 125ASX2 на AliExpress
Почему ICEpower серии ASX2:
- Встроенный блок питания 110-240 Вольт. Для информации: БП должен быть идеально согласован с усилителем и быть аудиофильского качества. Стоимость качественного, но не аудиофильского блока питания мощностью 275-350Вт.
- Модули стерео могут включаться в мостовой моно режим.
- Не требуют дополнительного отвода тепла.
- Не требуют экранирования.
- Профессиональная документация.
Усилители напряжения низкой частоты серии ДЛПВА
Усилители напряжения НЧ серии ДЛПВА
Характеристики
- Переключаемый коэффициент усиления до 100 дБ (x 100 000)
- Полоса пропускания от 0 до 100 кГц
- Дрейф постоянного тока 0,6 мкВ/°C
- Входной шум до 0,4 нВ/√Гц
- Переключаемая связь переменного/постоянного тока
- Местное и дистанционное управление
- Входное сопротивление до 1 ТОм
Дрейф смещения
Температурный дрейф входного напряжения смещения является одной из решающих характеристик качества усилителя постоянного напряжения. Усилители напряжения FEMTO имеют характеристики постоянного тока прецизионных усилителей. Таким образом, даже коэффициент усиления 100 дБ хорошо подходит для связи по постоянному току без необходимости постоянной регулировки напряжения смещения.
Полоса пропускания
Полоса пропускания идеального усилителя с регулируемым усилением не зависит от настройки усиления, что очень важно для измерения быстрых сигналов и импульсов. Полоса пропускания усилителей FEMTO DLPVA остается постоянной на уровне 100 кГц (-3 дБ) вплоть до самого высокого уровня усиления. Широкополосный шум можно уменьшить, переключив верхнюю граничную частоту на 1 кГц.
Элементы управления
Параметры, напр. настройками усиления, полосой пропускания и т. д. можно управлять с помощью локальных переключателей непосредственно на усилителе. Операция проста, а выбранная настройка усиления отображается светодиодами. Для дистанционного управления каждый переключатель снабжен соответствующим битом TTL. Также возможна смешанная работа.
Гибкость
Шесть различных моделей DLPVA обеспечивают высокую степень гибкости. Наши клиенты могут выбрать несимметричный или действительно дифференциальный вход. Входное сопротивление составляет 1 МОм или ниже для наших биполярных моделей и исключительно высокое значение 1 ТОм для наших моделей на полевых транзисторах, что позволяет измерять сигналы от источников с очень высоким импедансом. Наконец, шум составляет всего 0,4 нВ/√Гц для модели DLPVA-100-BUN-S.
Применение
- Универсальный усилитель низкой частоты
- Автоматизированные измерения
- Промышленные датчики
- Предусилитель детектора
- Интегрированные измерительные системы
Модель | ДЛПВА- 100-БУН-С | ДЛПВА- 100-БЛН-С | ДЛПВА- 100-Б-С | ДЛПВА- 100-Б-Д | ДЛПВА- 100-Ф-С | ДЛПВА- 100-Ф-Д |
Входной каскад | Одинарный | Одинарный | Одинарный | True diff. , | Одиночный | Истинная разность, |
Вход | 1 кОм, BNC | 1 МОм, BNC | 1 МОм, BNC | 1 МОм, Lemo ® | 1 ТОм, BNC | 1 ТОм, Лемо ® |
Типовое полное сопротивление источника | <50 Ом | <100 Ом | <1 кОм | <1 кОм | <1 ГОм | <1 ГОм |
Нижняя Частота среза | 1,5 Гц (только переменный ток) | пост. ток/ 1,5 Гц | пост. ток/ 1,5 Гц | пост. ток/ 1,5 Гц | пост. ток/ 1,5 Гц | пост. ток/ 1,5 Гц |
Верхний Частота среза [кГц] | 1/100 | 1/100 | 1/100 | 1/100 | 1/100 | 1/100 |
Усиление [дБ] | 40/60/ 80/100 | 40/60/ 80/100 | 20/40/ 60/80 | 20/40/ 60/80 | 20/40/ 60/80 | 20/40/ 60/80 |
Шумовое напряжение на входе [нВ/√Гц] | 0,4 | 0,7 | 2,4 | 3,6 | 5,5 | 6,9 |
Дрейф входного напряжения [мкВ/°C] | — | 0,5 | 0,7 | 0,7 | 1,3 | 1,3 |
CMRR | — | — | — | 120 дБ макс. | — | 120 дБ макс. |
Технический паспорт | 291 КБ | 285 КБ | 299 КБ | 299 КБ | 300 КБ | 300 КБ |
Выход | <100 Ом, BNC | |||||
Выходное напряжение | ±10 В (при нагрузке 100 кОм) | |||||
Цифровое управление | TTL, CMOS, оптоизолированный |
Смещение регулируется потенциометром или внешним управляющим напряжением. Индикация выбранной настройки усиления с помощью светодиода. Выход защищен от короткого замыкания. Питание через 3-контактный разъем Lemo ® . Ответный разъем поставляется вместе с устройством. Доступен дополнительный источник питания PS-15. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, просмотрите техническое описание.
Типовые рабочие характеристики
Снижение частоты среза нижних частот в нейронных усилителях: анализ и реализация в КМОП 65 нм
1. Введение
головного мозга, а также изучение и лечение его различных нарушений (Stevenson and Kording, 2011). Кроме того, эти данные используются при разработке нейропротезов (Sun et al., 2008) и нейромашинных интерфейсов (BMI) (Fifer et al., 2012). Вот почему потребность в новых методах, позволяющих осуществлять беспроводной мониторинг активности мозга с помощью имплантируемых устройств, растет с каждым днем (Schwartz et al., 2006; Mollazadeh et al., 2009).; Кук и др., 2013). Полный обзор нейронной записи дан в Hashemi Noshahr et al. (2020) и Луан и др. (2020).Мозговые сигналы очень малы и имеют очень низкую пропускную способность. Например, максимальная амплитуда потенциалов локального поля (LFP) обычно составляет 1 мВ, а частотный диапазон составляет от <1 Гц до 300 Гц (Van Rijn et al. , 1991). С другой стороны, амплитуда спайков или нервных потенциалов действия (ПД) обычно достигает 500 мкВ, а их рабочая частота достигает 7 кГц (Najafi and Wise, 19).86).
В некоторых приложениях требуется увеличение количества участков нейронной записи, называемых каналами, по мере увеличения пространственного разрешения регистрируемых сигналов. Например, общее количество каналов, о которых сообщает Маск (2019), составляет 3072. Электрохимическая реакция на границе электрод-ткань в каждом канале генерирует разные напряжения смещения постоянного тока на разных электродах. Эти напряжения обычно варьируются от 1 до 10 мВ, а в некоторых случаях до 50 мВ (Bagheri et al., 2017). Поскольку напряжения смещения каналов имеют высокое значение, они могут насытить нейронный усилитель. Поэтому их следует устранить. Наиболее распространенный подход к блокировке этого смещения на входе постоянного тока заключается в использовании больших конденсаторов связи по переменному току (Harrison and Charles, 2003; Ng and Xu, 2012). С другой стороны, существует альтернативный метод, который блокирует эти напряжения смещения постоянного тока с помощью фильтра нижних частот в цепи обратной связи, который называется подавлением смещения входа со связью по постоянному току. Авторы Enz et al. (1995), Языджиоглу и соавт. (2008), Мюллер и соавт. (2012), Бидерман и др. (2013), Ли и соавт. (2019), Jomehei and Sheikhaei (2019), Cabrera et al. (2020) и Фарук и др. (2020) используют этот метод, однако он требует огромного конденсатора или усилителя с высокой потребляемой мощностью в цепи обратной связи.
При разработке многоканальных нейронных усилителей необходимо учитывать и максимально уменьшать следующие факторы.
1. Потребляемая мощность: ткани мозга, окруженные имплантируемыми нейроусилителями, должны быть защищены от теплового повреждения. Для этого необходимо снизить рассеиваемую мощность этих усилителей.
2. Площадь чипа: нейронные усилители обычно огромны. Это связано с тем, что в них обычно используются большие входные конденсаторы со связью по переменному току. Кроме того, чтобы уменьшить мощность мерцающего шума усилителей, размер МОП-транзисторов должен быть очень большим, особенно в дифференциальных парах. Следовательно, для конкретной площади микросхемы, чтобы максимально увеличить количество каналов, усилители должны быть рассчитаны на их минимальную площадь.
3. Шум: нейронные сигналы имеют очень низкую амплитуду и ширину полосы. Мерцание и тепловой шум схемы нейронного усилителя являются основным источником шума, который может снизить отношение сигнал/шум (SNR) на выходе усилителей. Вот почему они разработаны как малошумящие усилители (МШУ). На низких частотах доминирует мощность мерцающего шума. Чтобы уменьшить мощность мерцающего шума, помимо увеличения размера транзисторов и использования дифференциальной пары PMOS, используется метод стабилизации прерывателя (Denison et al., 2007; Verma et al., 2010; Xu et al. , 2011 г., Язычиоглу и др., 2011 г., Луо и др., 2019 г.; Самией и Хашеми, 2019 г.). Техника стабилизации прерывателя модулирует низкочастотный шум OTA (шум мерцания), а также напряжение смещения на более высокую частоту с помощью переключателей прерывателя. Эти более высокие частоты устраняются с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ).
65-нм КМОП и более совершенные технологии создают новые проблемы из-за эффекта короткого канала для аналоговых схем. Одной из этих проблем является уменьшение крутизны (gm) МОП-транзисторов, что снижает коэффициент усиления по напряжению всего усилителя. Эту проблему можно решить, разработав нейронный усилитель с 2 или 3 каскадами усиления (Zou et al., 2009).; Резаи-Дехсорх и др., 2011). Другим разрушительным эффектом эффектов короткого канала является увеличение нижней частоты среза ( f L ) нейронных усилителей, связанных по переменному току. В этой статье мы анализируем параметры, влияющие на нижнюю граничную частоту, и предлагаем два решения. В первом решении используется стандартная КМОП и улучшается частота среза нижних частот за счет увеличения входного сопротивления. Второй метод использует транзисторы с толстым оксидом для увеличения входного сопротивления.
Остальная часть статьи организована следующим образом. Раздел II анализирует нижнюю частоту среза в нейронных усилителях. В разделе III представлены два предлагаемых решения. Экспериментальные результаты представлены в разделе IV, а заключение статьи — в разделе V. Как объяснялось в Harrison and Charles (2003), эта архитектура является одной из самых популярных архитектур нейронных усилителей со связью по переменному току с точки зрения низкого энергопотребления, низкого уровня шума и компактности. Кроме того, использование псевдорезисторов NMOS с толстым оксидом вместо псевдорезисторов PMOS обеспечивает лучшее общее гармоническое искажение (THD) (Kassiri et al., 2013).
Рисунок 1 . Полностью дифференциальный нейронный усилитель с емкостной обратной связью.
На рис. 2 показана частотная характеристика нейронного усилителя CFN в качестве полосового усилителя. Предполагая, что коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя на крутизне (OTA) значительно выше, коэффициент усиления по напряжению усилителя в средней полосе частот ( A M ) можно приблизительно рассчитать как
AM=CICF (1)
где С I и C F входная и обратная емкости усилителя соответственно. Кроме того, нижняя частота среза ( f L ) усилителя может быть аппроксимирована как усилителя.
Рисунок 2 . Частотная характеристика усилителя.
Как показано в уравнении 2, для уменьшения f L , C F и R 9039 следует увеличить. Однако при увеличении C F требуется увеличение C I для сохранения того же усиления, что приводит к огромным потерям площади для каждого канала многоканального устройства. Кроме того, это приводит к снижению входного сопротивления нейронного усилителя.
Псевдорезисторы МОП могут использоваться в качестве сопротивления обратной связи ( R F ) из-за их компактности и высокого сопротивления. Однако недостатком этого метода является то, что псевдорезисторы МОП обеспечивают гораздо меньшее сопротивление в передовых технологиях. Например, в старой технологии, такой как КМОП-технология 1,5 мкм, при использовании псевдорезистора МОП для R F C F всего 200 фФ достаточно для достижения0393 f L 0,025 Гц (Harrison and Charles, 2003). Однако с той же методикой и тем же значением для C F в CMOS-технологии 180 нм сообщается f L с частотой 39 Гц (Shoaran et al., 2014). Кроме того, в 130-нм КМОП-технологии (Abdelhalim et al., 2013) для компенсации низкой R F для обеспечения частоты 0,1 Гц. Кроме того, в 65-нм КМОП-технологии результаты нашего моделирования показывают, что при использовании C F 200 фФ достигается f L при 472 Гц. Чтобы лучше понять эффекты, которые увеличивают значение f L в усовершенствованных КМОП-технологиях, ниже мы приводим анализ небольшого сигнала усилителя.
Эквивалентная полусхема слабого сигнала нейронного усилителя на рисунке 1 изображена на рисунке 3. OTA можно смоделировать как однополюсный усилитель с полюсом в выходном узле. In this figure, G m is the transcunductance of the OTA and C in , R i , and R o are OTA’s input terminal емкость, сопротивление и сопротивление выходной клеммы соответственно. Мы извлекаем постоянную времени первого полюса как
τ1=1p1==CF(Go+Gm)+CoGF+Ci(Go+GF)+Gi(Co+CF)GF(Gm+Go)+Gi(GF+Go) (3) толщина оксида в передовых технологиях означает более низкое входное сопротивление (т. е. более высокое G i ) из-за более высокого тока утечки затвора. При увеличении G i знаменатель в уравнении (3) растет намного быстрее, чем числитель. Следовательно, постоянная времени (τ 1 ) увеличивается, что приводит к снижению f L .
Рисунок 3 . Эквивалент слабого сигнала полусхемы нейронного усилителя.
Однако для более старых технологий мы можем упростить уравнения (3)–(4), предположив, что входное сопротивление OTA ( R i ) равно бесконечности (т.е. G i примерно ноль) (Hashemi Noshahr and Sawan, 2017).
τ1=1p1=RFCF+CoRo1+GmRo+Ci(RF+Ro)1+GmRo (4)
Если усиление OTA ( G m R o ) велико, вторым и третьим членами этого уравнения можно пренебречь, что приводит к уравнению (5), где частота до τ 1 такая же, как уравнение (2). Другими словами, уравнение (5) является частным случаем уравнения (3), когда коэффициент усиления OTA высок, а входное сопротивление OTA равно бесконечности.
τ1=1p1=RFCF (5)
На рисунке 4 показана частотная характеристика модели слабого сигнала усилителя, показанного на рисунке 3, для различных значений R i . Напряжение постоянного тока выходов смещено на 0,5 В, а псевдорезисторы NMOS с толстым оксидом используются в качестве резисторов обратной связи. Значения G M , R O , C I , I , I , I , I , . 0393 C in , and C o are chosen as 22.4 μ℧, 157 MΩ , 11.5 pF , 200 fF , 3 pF , and 200 fF , соответственно. Как показано на этом рисунке, f L уменьшается за счет увеличения R i .
Рисунок 4 . Моделирование частотной характеристики нейронного усилителя с различным количеством Р и .
3. Предлагаемые решения
В этом разделе мы предлагаем два решения для снижения нижней частоты среза до 1 Гц OTA в передовых технологиях CMOS без увеличения емкости обратной связи ( C F ).
3.1. Положительная обратная связь с перекрестной связью
На рис. 5 показана архитектура нейронного усилителя с соединениями с положительной обратной связью с перекрестной связью (CCPF), в которых используется несколько (n+2) псевдорезисторов. На рис. 6 показаны две реализации соединений CCPF (дальнее и близкое соединения), в которых каждый псевдорезистор реализован со стандартным транзистором PMOS. Зная тот факт, что CCPF обеспечивает отрицательное сопротивление (-| R N |), эквивалентное входное сопротивление ОТА можно представить как
Rieq=Ri || (-|RN|)=Ri|RN||RN|-Ri (6)
Как представлено в уравнении (6), для максимизации R ieq , (| R N |− R i ) должны быть минимизированы. Другими словами, для достижения очень высокого положительного эквивалентного входного сопротивления величина | Р Н | должно быть немного выше R i , а (| R N | − R i ) должно приближаться к нулю. Однако, поскольку это отрицательное сопротивление создается положительной обратной связью, устойчивость усилителя ограничивает нижнюю границу (| R N | − R i ).
Рисунок 5 . Нейронный усилитель с перекрестно-связанной архитектурой с положительной обратной связью.
Рисунок 6 . Кросс-связанные соединения с положительной обратной связью.
Чтобы проверить уравнение (6), мы вычисляем отрицательное сопротивление CCPF. На рис. 7 показана схема замещения слабого сигнала нейронного усилителя с дальними соединениями CCPF. Для простоты расчетов будем считать, что все псевдорезисторы одинаковы и имеют одинаковый номинал.
Рисунок 7 . Эквивалентная схема слабого сигнала нейронного усилителя с соединением CCPF.
Выполнение KVL в контурах DCBGHD и DCFGHD приводит к
i3=i1+2i2 (7)
Также выполнение KVL в контурах ABCFEA и DCBGHD и рассмотрение (уравнение 7) приводит к следующим двум уравнениям
(n +2)Ri1+nRi2=ΔV (8)
(n+2)Ri1+(n+4)Ri2=GmRoΔV (9)
После решения этих уравнений значение i 1 будет равно
i1=(n+4)-GmRon4(n+2)RΔV (10)
Как показано на рисунке 7, RN=ΔVi1 — эквивалентное сопротивление всей цепи, подключенной к входным клеммам ОТА (узлы A и E). , что параллельно R в . Принимая во внимание (уравнение 10), R N можно представить как
RN=4(n+2)R(n+4)-GmRon (11)
Зная, что усиление ОТА ( G m R o ) очень высокий, доминатор R N отрицательный. На практике значения псевдорезисторов не равны и варьируются в зависимости от их токов (или их напряжений). Следовательно, уравнение (11) не является точным, и для расчета точного значения 9 требуются результаты моделирования.0393 Р Н .
Значение нижней частоты среза усилителя зависит от количества и размера (W/L) псевдорезисторов, а также от положения соединений CCPF (далеко или близко). For example, assuming C I = 10 pF , C F = 200 fF , C L = 1. 7 pF , and n = 4 для дальнего соединения CCPF в усилителе, показанном на рисунке 5, достигает f L 0,27 Гц с коэффициентом усиления в средней полосе 31,67 дБ, а суммарная емкость этого усилителя равна 22 пФ. Чтобы уменьшить общую емкость, мы использовали цепь обратной связи T-конденсатора, показанную на рисунке 8 (Ng and Xu, 2013). Псевдорезисторы и соединения CCPF на этом рисунке реализованы аналогично рисунку 6 с 6 транзисторами PMOS.
Рисунок 8 . Архитектура сети обратной связи T-конденсатора с CCPF.
Усиление средней полосы усилителя на рис. 8 рассчитывается как
AM=(CICF1)(CF1+CF2+2CF12CF12) (12)
Мы можем настроить емкости в уравнении (12), чтобы общая емкость OTA оставалась низкой при сохранении того же коэффициента усиления. For example, in Figure 8, by choosing the value of the capacitors as C I = 1.4 pF , C F 1 = C F 2 = 200 fF , C F 12 = 400 фФ , и C L = 200 фФ , общая емкость конденсатора усилителя уменьшается до 4,2 пФ , а частота среза нижних частот увеличивается с 0,27 до 1,5 Гц, что все еще находится в допустимый диапазон.
На рисунках 9, 10 показана частотная характеристика усилителя по коэффициенту усиления и фазе соответственно, а также при дальнем, близком и отсутствии CCPF соединений. Величина нижней частоты среза для дальнего, близкого и без CCPF соединений составляет 1,5, 143 и 320 Гц соответственно.
Рисунок 9 . Моделирование АЧХ (усиления) усилителя, показанного на рис. 8, с дальним, близким и без подключения CCPF.
Рисунок 10 . Моделирование АЧХ (фазы) усилителя, показанного на рисунке 8, с дальним, близким и без CCPF-подключения.
Положительная обратная связь в архитектуре CCPF усилителя может привести к нестабильности. Тем не менее, тщательно подбирая количество псевдорезисторов, размеры транзисторов и положение соединения CCPF, мы можем убедиться, что отрицательная обратная связь является преобладающей, а вся архитектура стабильна и обеспечивает запас по фазе не менее 60 градусов. На рис. 11 показано моделирование частотной характеристики разомкнутого контура усилителя, показанного на рис. 8, с запасом по фазе 70 градусов.
Рисунок 11 . Моделирование частотной характеристики разомкнутого контура (усиление и фаза) усилителя, показанного на рисунке 8, с запасом по фазе 70 градусов.
Добавляя переключатели к соединению CCPF, мы можем программировать (т. е. включать или выключать) соединения в процессе постпроизводства. В случае нескольких псевдорезисторов (например, 18) в дальних соединениях CCPF может наблюдаться нестабильность из-за изменений процесса. Следовательно, программируя соединения и выбирая более тесные соединения, мы можем избежать нестабильности. Кроме того, программируемость также может дать нам контроль над значением 9.0393 ф л . Более тесные соединения имеют более высокое значение f L и более стабильны. С другой стороны, более дальние соединения имеют более низкое значение f L за счет меньшей стабильности.
3.2. Дифференциальная пара из толстого оксида
Второй способ увеличения входного сопротивления OTA без увеличения емкости обратной связи заключается в использовании МОП-транзисторов из толстого оксида во входной дифференциальной паре. На рис. 12 показана реализация ОТА с рис. 1 на транзисторном уровне с входной дифференциальной парой из PMOS с толстым оксидом. На этом рисунке большая часть NMOS-транзисторов заземлена, тогда как большая часть PMOS-транзисторов подключена к их истокам. Размер каждого транзистора показан в таблице 1, а токи смещения приведены в таблице 2.
Рисунок 12 . В нейронном усилителе используется полностью дифференциальный свернутый каскод OTA.
Таблица 1 . Размеры транзистора нейронного усилителя.
Таблица 2 . Токи смещения нейронного усилителя.
На рис. 13 показаны результаты моделирования разработанного нейронного усилителя с использованием OTA, показанного на рис. 12, и OTA со стандартной входной дифференциальной парой PMOS. Коэффициент усиления ОТА и нейроусилителя в целом составляет 68,2 и 34,6 дБ соответственно. Как показано на этом рисунке, применение PMOS с толстым оксидом во входной дифференциальной паре улучшило нижнюю граничную частоту с 360 до 0,19. Гц. Эти результаты моделирования подтверждают, что увеличение входного сопротивления OTA за счет использования PMOS с толстым оксидом в дифференциальной паре резко снижает нижнюю частоту среза.
Рисунок 13 . Моделирование АЧХ нейронного усилителя с дифференциальной парой из толстого оксида и стандартной ПМОП-структуры.
Для увеличения отношения сигнал/шум нейронного усилителя первая ступень нейронного усилителя выполнена в виде МШУ. Чтобы уменьшить фликер-шум OTA на рис. 12, мы оптимизировали размер PMOS-транзисторов во входной дифференциальной паре (т. е. М 1 и М 2 ). Кроме того, как упоминалось в Harrison and Charles (2003), для минимизации теплового шума транзисторы M 1 и M 2 смещены в подпороговой области, чтобы максимизировать их крутизну по току стока, называемую крутизной. КПД ( г м / I D ), а транзисторы M 3 , M 4 , M 9 a , M 9 b , M 10 a , and M 1 0 b смещены в область насыщения, чтобы свести к минимуму их
Как упоминалось ранее, полоса пропускания и рабочая частота нейронных усилителей очень малы, поэтому преобладающей мощностью шума является мерцающий шум. Кроме того, в OTA на рис. 12 транзисторы дифференциальной пары являются основным источником фликер-шума по сравнению с другими транзисторами (Razavi, 2005). Поэтому для анализа шума предлагаемого нейронного усилителя мы исследуем только влияние дифференциальной пары PMOS с толстым оксидом. Использование PMOS-транзисторов с толстым оксидом в дифференциальной паре ОТА снижает емкость затвор-оксид на единицу площади ( C ox ) за счет увеличенной толщины оксида затвора ( t ox ). Использование PMOS с толстым оксидом во входной дифференциальной паре увеличивает мощность мерцающего шума за счет уменьшения C ox . Соотношение между входным шумом всего нейронного усилителя (Vni,amp2¯) и входным шумом OTA (Vni2¯) представлено как
Vni,amp2¯=(CI+CF+CinCI)2.Vni2 ¯ (13)
Уменьшение C ox из-за использования дифференциальной пары ПМОП с толстым оксидом увеличивает Vni2¯ и уменьшает C в в уравнении (13). Поскольку увеличение Vni2¯ намного больше, чем уменьшение его коэффициента, Vni,amp2¯ увеличивается за счет уменьшения C ox . Чтобы компенсировать этот недостаток, можно увеличить коэффициент усиления МШУ ( C I / C F ) путем увеличения C I для уменьшения Vni,amp2¯ в уравнении (13). Результаты моделирования показывают, что минимальное приведенное к входу шумовое напряжение нейронного усилителя составляет 5,9 мк В среднеквадратичное значение в диапазоне частот от 1 Гц до 5,6 кГц (полоса пропускания).
Обратите внимание, что для дальнейшего снижения шума OTA необходимо применять методы шумоподавления, такие как метод стабилизации прерывателя, который выходит за рамки данной статьи.
На рисунке 14 показаны результаты моделирования методом Монте-Карло ( N = 1000) нижней частоты среза. Как показано на этом рисунке, μ равно 0,159 Гц, а σ равно 0,052, в результате чего 3σμ равно 0,983.
Рисунок 14 . Моделирование Монте-Карло нижней частоты среза нейронного усилителя.
На рисунках 15, 16 показан анализ методом Монте-Карло CMRR и PSRR усилителя Neural. Применение МОП-транзисторов с толстым оксидом во входной дифференциальной паре значительно снижает ток утечки затвора и увеличивает входной импеданс OTA, и, следовательно, улучшаются CMRR и PSRR.
Рисунок 15 . Анализ методом Монте-Карло CMRR нейронного усилителя.
Рисунок 16 . Анализ методом Монте-Карло PSRR нейронного усилителя.
4. Измерение и
in vitro Результаты4.1. Измеренная производительность
Прототип выполнен по 65-нм техпроцессу TSMC CMOS. C I и C F настроены на 11,5 пФ и 208 фФ соответственно, чтобы получить коэффициент усиления 55 В/В (или 34,3 дБ) (AM=CICF). ). В прототипе используется 0,04 мм 2 (270 мкм × 150 мкм) площади кремния. Микрофотография кристалла, содержащего усилитель, показана на рисунке 17.
Рисунок 17 . Микрофотография чипа, содержащего нейронный усилитель, с площадью кристалла 270 мкм × 150 мкм.
Измеренная частотная характеристика в диапазоне от 0,1 Гц до 1 МГц выполняется через солевой раствор, чтобы имитировать среду мозга, а результат моделирования показан на рисунке 18. Усиление средней полосы составляет 34,3 дБ, а низкие и высокие частоты среза составляют 2 Гц и 5,6 кГц соответственно. Смоделированная нижняя частота среза составляет 0,19.Гц, что меньше достигнутого в результате измерения. Это отклонение ожидаемо, поскольку псевдорезисторы МОП нелинейны и значительно чувствительны к своей рабочей точке (Harrison and Charles, 2003).
Рисунок 18 . Измеренная и смоделированная частотная характеристика усилителя. Измеренное усиление средней полосы составляет 34,3 дБ, а низкие и высокие частоты среза приходятся на 2 Гц и 5,6 кГц соответственно.
На рис. 19 показана измеренная спектральная плотность шумового напряжения нейронного усилителя, приведенного к входу. Среднеквадратичное значение шума, приведенного к входу, составляет 6,1 мк В среднеквадратичное значение путем интегрирования площади под кривой от 1 Гц до 5,6 кГц (полоса пропускания усилителя) на рисунке 19. Это значение немного выше, чем результат моделирования (5,9 мк В среднеквадратичное значение .
Рисунок 19 . Измеренный приведенный к входу спектр шумового напряжения.
Таблица 3 показывает сводку смоделированных и измеренных параметров прототипа. Сравнение нашей работы и других опубликованных работ представлено в таблице 4. Все выбранные нейронные усилители связаны по переменному току. Чтобы объективно сравнить эти усилители с разным коэффициентом усиления, количеством каскадов и технологией, мы рассматриваем только первый каскад каждого усилителя.
Таблица 3 . Экспериментальные и модельные характеристики нейронного усилителя.
Таблица 4 . Сравнение полностью интегрированных нейронных усилителей.
Результаты измерений показывают, что достигнутый прирост является самым высоким среди всех в Таблице 4. Обратите внимание, что прирост для Xiao et al. (2010) сообщается о двух этапах. Кроме того, площадь изготовленного чипа меньше, чем у других. Однако следует отметить, что сравнивать площадь самого чипа без учета усиления в средней полосе некорректно. Усиление средней полосы ( A m ) усилителя равен CICF. The low-cutoff frequency ( f L ) is determined by C F , and C I is determined by the gain and C F . Также обратите внимание, что основной вклад в площадь чипа вносит C I . Другими словами, для нормализованного усиления меньше C F приводит к уменьшению площади стружки. Таким образом, сравнение C F является лучшим показателем качества для сравнения площади кристалла, в то время как усилители имеют разные коэффициенты усиления. В этом случае значения C F предлагаемого усилителя и Ng и Xu (2016) составляют 208 фФ и 350 фФ соответственно. Обратите внимание, что усиление, указанное в нашей работе, составляет 34,3 дБ, тогда как усиление в Ng and Xu (2016) составляет 26,4 дБ. Вот почему общая площадь нашей работы почти такая же, как у Нг и Сюй (2016).
Усилитель Song et al. (2013) реализован в технологии 0,18 мкм с коэффициентом усиления 26 дБ. Его полюс высоких частот составляет 80 Гц. Значение C F не сообщается, однако общая площадь усилителя составляет 0,16 мм 2 , что значительно больше. В Abdelhalim et al. (2013) в процессе 0,13 мк м реализованы нейронные усилители с коэффициентом усиления 54–60 дБ в двух каскадах усиления. Первый каскад (МШУ) с расчетным коэффициентом усиления 31,8 дБ имеет конденсаторы обратной связи емкостью 300 фФ с нижней граничной частотой 0,1 Гц. Наш анализ показывает, что C F в Abdelhalim et al. (2013) можно уменьшить до 200 фФ, если использовать дифференциальную пару с толстым оксидом.
Нейронный усилитель Xiao et al. (2010) использовали два каскада усиления для получения 49 дБ в процессе 0,13 мкм м . Стоимость C F не сообщается. Однако расчетная площадь усилителя и f L составляют 0,4 мм 2 и 100 Гц соответственно. Этот усилитель занимает очень большую площадь и имеет высокую нижнюю частоту среза. Дизайны Biederman et al. (2015) используют МШУ с коэффициентом усиления 26 дБ, изготовленные по 65-нм КМОП-технологии. В нем используется конденсатор обратной связи емкостью 500 фФ, параллельный псевдорезистору в традиционной архитектуре CFN, аналогичной нашей работе. Нижняя частота среза f L регулируется с минимальным значением 10 Гц. Нейронный усилитель состоит из усилителя с переменным усилением (VGA) и буфера для достижения усиления 45–60 дБ. Усилитель в Ng and Xu (2016) реализован с двумя каскадами усиления с усилением в средней полосе 52,1 дБ по технологии 65 нм. Усиление на первом этапе, LNA, составляет 26,4 дБ, а f L сообщается как 1 Гц. МШУ использует OTA на основе инвертора CMOS с 360 fF как С Ф . В усилителе, разработанном Kim and Ko (2019), в OTA используются относительно небольшие транзисторы. В дополнение к небольшим транзисторам используется более старый процесс 0,18 мк м , который помогает уменьшить утечку затвора и увеличить входное сопротивление OTA. Это приводит к низкой частоте f L 6,4 Гц. Однако за это приходится платить высоким приведенным к входу шумовым напряжением (10,68 мк В среднеквадратичное значение ). CMRR и PSRR в типичном моделировании угла составляют 66,3 и 88 дБ соответственно. Как упоминалось ранее, при использовании КМОП с толстым оксидом CMRR и PSRR увеличиваются по сравнению со случаем, когда используется стандартная КМОП. Это увеличение связано с повышенным входным сопротивлением OTA. Кроме того, из-за меньшего эффекта короткого канала в МОП-транзисторах с толстым оксидом линейность и THD усилителя улучшаются.
4.2.
In vitro Нейронная записьМы использовали этот нейронный усилитель для нейронной записи в Эксперимент in vitro на срезах мозга мыши на стоматологическом факультете Монреальского университета. Микропипетка используется для регистрации электрической активности мозга. Микропипетку заполняют NaCl (0,5 моль) без пузырьков. Эта микропипетка содержит металлический электрод из AgCl, который регистрирует внеклеточные ПД ствола мозга мышиного среза. Срез мозга вставляется и фиксируется в камере, содержащей искусственную спинномозговую жидкость (ACSF), которая постоянно насыщается кислородом и поддерживается во влажном состоянии, чтобы имитировать реальную среду мозга и поддерживать жизнь нейронов в течение нескольких часов. Микропипетку постепенно проникают в ткань ствола мозга с помощью микроскопа и его периферийных инструментов.
Для завершения тестовой установки AgCl-электрод микропипетки подключается к неинвертирующему входу усилителя-прототипа. Подключение камеры, в том числе АФРУ, подключается к инвертирующему порту усилителя как Vref. Следует отметить, что для выполнения этих соединений используются экранированные провода. Коммерческая установка системы нейронной регистрации, содержащая инструментальный усилитель (AM systems, Inc.), оборудование для сбора данных, установленное в стойке, и ПК с программным обеспечением Spike2 на базе Windows (версия 5.19)., Cambridge Electronic design). Выход предлагаемого усилителя подключен к серийному усилителю. Коммерческий усилитель представляет собой полосовой усилитель с усилением в средней полосе 100 (В/В) и с нижней и верхней частотами среза 300 Гц и 5 кГц соответственно. Установка нижней частоты среза на уровне 300 Гц позволяет нам устранить LFP и извлечь внеклеточные точки доступа из выходного сигнала. При использовании коммерческого усилителя в качестве усилителя второго каскада общий коэффициент усиления достигает 5300 9 . 0393 В / В . Во время процедуры испытаний усиленный сигнал дискретизируется с частотой 10 квыб/с, оцифровывается указанным оборудованием для сбора данных и передается на ПК. Spike2 использовался для наблюдения за захваченными данными на ПК. Фигура 20 иллюстрирует зарегистрированные спонтанные внеклеточные ПД из ствола мозга мыши с предложенным нейронным усилителем.
Рисунок 20 . Зарегистрированные внеклеточные АР, извлеченные из ствола мозга мыши с помощью изготовленного нейронного усилителя.
5. Заключение
Технология уменьшения масштаба ставит новые задачи при проектировании нейронных усилителей. Одной из основных проблем является повышенная частота среза нижних частот ( f L ) усилителей со связью по переменному току, при условии, что используется то же значение емкости обратной связи. Самое простое решение — увеличить конденсаторы обратной связи. Однако это происходит за счет увеличения входных конденсаторов при том же коэффициенте усиления усилителя, что увеличивает площадь кремния и снижает входное сопротивление усилителя. Предполагая, что нейронный записывающий имплантат требует большого количества таких усилителей, общее потребление площади кремния резко возрастает.
В этой статье мы сосредоточимся на этой проблеме, найдем ее корни и предложим решения для ее улучшения. Масштабирование технологии увеличивает ток утечки дифференциальной пары ОТА из-за уменьшения толщины оксида затвора (эффекты короткого канала). Это приводит к уменьшению входного сопротивления ( R i ) OTA. С помощью моделирования, подкрепленного аналитическим анализом, мы показываем, что уменьшение R i является фундаментальной причиной увеличения ф л . В этой статье представлены два различных решения для увеличения R i : применение архитектуры положительной обратной связи с перекрестной связью и использование транзисторов PMOS с толстым оксидом в дифференциальной паре OTA. Моделирование подтверждает, что оба решения уменьшают f L . Мы разработали и изготовили последнее решение в процессе 65 нм TSMC. Экспериментальные результаты показывают, что нижняя частота среза снижается до 2 Гц при использовании конденсатора обратной связи емкостью 208 фФ ( C F ). Нейронный усилитель подтвержден экспериментом in vitro на срезах ствола мозга мыши.
Заявление о доступности данных
Первоначальные материалы, представленные в исследовании, включены в статью/дополнительный материал. Дальнейшие запросы можно направлять соответствующему автору/авторам.
Вклад авторов
Все перечисленные авторы внесли существенный, непосредственный и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее для публикации.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Ссылки
Абдельхалим К., Кокаровцева Л. , Веласкес Дж. Л. П. и Генов Р. (2013). SoC для беспроводной нейронной записи FSK/OOK 915 МГц с 64 КИХ-фильтрами смешанных сигналов. IEEE J. Solid State Circ. 48, 2478–2493. doi: 10.1109/JSSC.2013.2272849
Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar
Багери А., Салам М. Т., Веласкес Дж. Л. П. и Генов Р. (2017). Подавление низкочастотного шума и смещения в нейронных усилителях со связью по постоянному току: обзор и руководство по проектированию с цифровой помощью. IEEE Trans. Биомед. Цирк. Сист. 11, 161–176. doi: 10.1109/TBCAS.2016.2539518
PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar
Бидерман В., Йегер Д. Дж., Наревский Н., Коралек А. С., Кармена Дж. М., Алон Э. и др. (2013). Полностью интегрированный, миниатюрный (0,125 мм 2 ) Беспроводной нейросенсор мощностью 10,5 мкВт. IEEE J. Solid State Circ. 48, 960–970. doi: 10.1109/JSSC.2013.2238994
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Бидерман В. , Йегер Д. Дж., Наревский Н., Леверетт Дж., Нили Р., Кармена Дж. М. и др. (2015). A 4,78 мм 2 полностью интегрированная система нейромодуляции, объединяющая 64 канала сбора данных с цифровым сжатием и одновременной двойной стимуляцией. IEEE J. Solid State Circ. 50, 1038–1047. doi: 10.1109/JSSC.2014.2384736
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Кабрера, К., Кабальеро, Р., Коста-Раушерт, М.С., Росси-Айкарди, К., и Ореджиони, Дж. (2020). «Низковольтный малошумящий интегрированный предусилитель биопотенциала с высоким CMRR», в IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers , 1–10.
Google Scholar
Кук М. Дж., О’Брайен Т. Дж., Беркович С. Ф., Мерфи М., Морокофф А., Фабини Г. и др. (2013). Прогнозирование вероятности припадка с помощью долгосрочной имплантированной консультативной системы по припадкам у пациентов с лекарственно-устойчивой эпилепсией: первое исследование на людях. Ланцет Нейрол. 12, 563–571. doi: 10.1016/S1474-4422(13)70075-9
PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar
Денисон Т., Консуер К., Санта В., Авеструз А.-Т., Кули Дж. и Келли А. (2007). Инструментальный усилитель мощностью 2 мкВт, 100 нВ/Гц, стабилизированный прерывателем, для постоянного измерения потенциалов нервного поля. IEEE J. Solid State Circ. 42, 2934–2945. doi: 10.1109/JSSC.2007.4
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Enz, C.C., Krummenacher, F. и Vittoz, E.A. (1995). Аналитическая модель МОП-транзистора, применимая во всех регионах эксплуатации и предназначенная для низковольтных и слаботочных приложений. Аналоговый интегр. Цирк. Сигнальный процесс. 8, 83–114. doi: 10.1007/978-1-4615-2283-6_7
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Фарук Т., Дессуки М. и Эльхатиб М. (2020). Изготовление маломощного малошумящего нейронного записывающего усилителя на основе перевернутого повторителя напряжения. Микроэлектрон. Дж. 101:104817. doi: 10.1016/j.mejo.2020.104817
Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar
Файфер М., Ачарья С., Бенц Х., Моллазаде М., Крон Н. и Такор Н. (2012). На пути к электрокортикографическому контролю ловкого протеза верхней конечности: построение интерфейсов мозг-машина. IEEE Pulse 3, 38–42. doi: 10.1109/MPUL.2011.2175636
PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar
Харрисон Р. Р. и Чарльз К. (2003). Маломощный КМОП-усилитель с низким уровнем шума для приложений нейронной записи. IEEE J. Solid-State Circ. 38, 958–965. doi: 10.1109/JSSC.2003.811979
PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar
Хашеми Ношахр Ф., Набави М. и Саван М. (2020). Многоканальные нейронные записывающие имплантаты: обзор. Датчики 20:904. doi: 10.3390/s20030904
PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar
Хашеми Ношахр, Ф., и Саван, М. (2017). «Компактный и маломощный полосовой усилитель для сигналов с узкой полосой пропускания на 65-нм КМОП», в Международный симпозиум IEEE по схемам и системам (ISCAS) (Балтимор, Мэриленд: IEEE), 1–4.
Google Scholar
Джомехей, М. Г., и Шейхаи, С. (2019). Маломощный КМОП-усилитель биопотенциала с низким уровнем шума для многоканальной нейронной записи с активным подавлением постоянного тока и разделением тока. Микроэлектрон. J. 83, 197–211. doi: 10.1016/j.mejo.2018.11.021
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Кассири Х., Абдельхалим К. и Генов Р. (2013). «Подпороговые МОП-резисторы со сверхвысоким сопротивлением ГОм и низким уровнем искажений для КМОП-нейронных усилителей», в Конференция по биомедицинским схемам и системам (BioCAS) , (IEEE), 270–273.
Google Scholar
Ким Дж. и Ко Х. (2019). Нейронный усилитель сверхнизкой мощности с автоматическим смещением и повторно используемым током со встроенным аналоговым обнаружением всплесков. Доступ IEEE 7, 109792–109803. doi: 10.1109/ACCESS.2019.2933674
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Lee, B., Jia, Y., Mirbozorgi, S.A., Connolly, M., Tong, X., Zeng, Z., et al. (2019). Беспроводная система регистрации и стимуляции нейронов с индуктивным питанием для свободно ведущих себя животных. IEEE Trans. Биомед. Цирк. Сист. 13, 413–424. doi: 10.1109/TBCAS.2019.28
PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar
Луан Л., Робинсон Дж. Т., Аачжан Б., Чи Т., Ян К., Ли X. и др. (2020). Последние достижения в разработке электрических нейронных интерфейсов: минимальная инвазивность, долговечность и масштабируемость. Нейрон 108, 302–321. doi: 10.1016/j.neuron.2020.10.011
PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google
Луо, Д., Чжан, М., и Ван, З. (2019). Малошумящий усилитель-прерыватель, предназначенный для многоканального сбора нейронных сигналов. IEEE J. Solid State Circ. 54, 2255–2265. doi: 10.1109/JSSC.2019.21
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Моллазаде М., Мурари К., Каувенбергс Г. и Такор Н.В. (2009). Беспроводная микроэнергетическая аппаратура для мультимодального сбора данных об электрической и химической нейронной активности. IEEE Trans. Биомед. Цирк. Сист. 3, 388–397. doi: 10.1109/TBCAS.2009.2031877
PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar
Мюллер Р., Гамбини С. и Рабей Дж. М. (2012). A 0,013 мм 2 , 5 мкВт, ИС для сбора нейронных сигналов со связью по постоянному току с питанием 0,5 В. IEEE J. Solid State Circ. 47, 232–243. doi: 10.1109/JSSC.2011.2163552
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Маск, Э. (2019). Интегрированная платформа интерфейса мозг-машина с тысячами каналов. BioRXiv 703801. doi: 10.2196/16194
PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar
Наджафи К. и Уайз К. Д. (1986). Имплантируемая многоэлектродная матрица с встроенной обработкой сигналов. IEEE J. Solid State Circ. 21, 1035–1044. doi: 10.1109/JSSC.1986.1052646
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Нг, К.А., и Сюй, Ю.П. (2012). «Компактный нейронный записывающий усилитель с малой входной емкостью на C в / усилением 20 фФ.В/В», в Конференция по биомедицинским схемам и системам (BioCAS) , (IEEE), 328–331.
Google Scholar
Нг, К. А., и Сюй, Ю. П. (2013). Компактный усилитель нейронной записи с малой входной емкостью. IEEE Trans. Биомед. Цирк. Сист. 7, 610–620. doi: 10.1109/TBCAS.2013.2280066
PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar
Нг, К.А., и Сюй, Ю.П. (2016). Маломощная система нейронного усилителя с высоким cmrr, использующая otas на основе инвертора cmos с cmfb через шины питания. IEEE J. Solid State Circ. 51, 724–737. doi: 10.1109/JSSC.2015.2512935
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Разави, Б. (2005). Разработка аналоговых интегральных схем CMOS . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: McGraw-Hill Education.
Google Scholar
Резаи-Дехсорх Х., Раваншад Н., Лотфи Р., Мафинежад К. и Содагар А. М. (2011). Анализ и разработка настраиваемых усилителей для имплантируемых приложений нейронной записи. IEEE Trans. Эмердж. Сел. Верхний. Цирк. Сист. 1, 546–556. doi: 10.1109/JETCAS.2011.2174492
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Самиеи, А., и Хашеми, Х. (2019). Стабилизированный прерыватель, обратная связь по току, усилитель нейронной записи. IEEE Solid State Circ. лат. 2, 17–20. doi: 10.1109/LSSC.2019.24
PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar
Шварц А.Б., Куи X.Т., Вебер Д.Дж. и Моран Д.В. (2006). Интерфейсы, управляемые мозгом: восстановление движений с помощью нейронных протезов. Нейрон 52, 205–220. doi: 10.1016/j.neuron.2006.09.019
PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar
Шоаран М. , Камаль М. Х., Полло К., Вандергейнст П. и Шмид А. (2014). Компактная маломощная корковая записывающая архитектура для многоканального сбора данных со сжатием. IEEE Trans. Биомед. Цирк. Сист. 8, 857–870. doi: 10.1109/TBCAS.2014.2304582
PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar
Сонг С., Ройяккерс М., Харпе П., Работти К., Миши М., Ван Рурмунд А. и др. (2013). «Телескопический усилитель 430nw 64nv/vhz с повторным использованием тока для приложений нейронной записи», в Конференция IEEE по биомедицинским схемам и системам, 2013 г. (BioCAS) , (Роттердам: IEEE), 322–325.
Google Scholar
Стивенсон И. Х. и Кординг К. П. (2011). Как достижения в нейронной записи влияют на анализ данных. Нац. Неврологи. 14:139. doi: 10.1038/nn.2731
PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar
Сан, Ф., Моррелл, М., и Варен, Р. Дж. (2008). Реагирующая корковая стимуляция для лечения эпилепсии. Нейротерапия 5, 68–74. doi: 10.1016/j.nurt.2007.10.069
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ван Рейн, А.К.М., Пепер, А., и Гримберген, К.А. (1991). Качественная регистрация биоэлектрических событий. Мед. биол. англ. вычисл. 29, 433–440. doi: 10.1007/BF02441666
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Верма, Н., Шоеб, А., Бохоркес, Дж., Доусон, Дж., Гуттаг, Дж., и Чандракасан, А. П. (2010). Микромощная SoC для сбора ЭЭГ со встроенным процессором извлечения признаков для системы обнаружения хронических припадков. IEEE J. Solid State Circ. 45, 804–816. doi: 10.1109/JSSC.2010.2042245
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Xiao, Z., Tang, C.-M., Dougherty, C.M., and Bashirullah, R. (2010). «Нейронная записывающая метка мощностью 20 мкВт с afe с модуляцией тока питания в 0,13 мкм cmos», в 2010 IEEE International Solid-State Circuits Conference-(ISSCC) (IEEE), 122–123.
Google Scholar
Xu, J. , Yazicioglu, R. F., Grundlehner, B., Harpe, P., Makinwa, K. A. и Van Hoof, C. (2011). 8-канальная система активных электродов мощностью 160 мкВт для мониторинга ЭЭГ. IEEE Trans. Биомед. Цирк. Сист. 5, 555–567. doi: 10.1109/TBCAS.2011.2170985
PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar
Язычиоглу, Р. Ф., Ким, С., Торфс, Т., Ким, Х., и Ван Хуф, К. (2011). Аналоговый сигнальный процессор ASIC мощностью 30 мкВт для портативного мониторинга сигналов биопотенциала. IEEE J. Solid State Circ. 46, 209–223. doi: 10.1109/JSSC.2010.2085930
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Язычиоглу Р. Ф., Меркен П., Пуэрс Р. и Ван Хуф К. (2008). Восьмиканальная ASIC сбора ЭЭГ мощностью 200 мкВт для амбулаторных систем ЭЭГ. IEEE J. Solid State Circ. 43, 3025–3038. doi: 10.1109/JSSC.2008.2006462
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Цзоу X., Сюй X., Яо Л. и Лиан Ю. (2009). Полностью интегрированная микросхема интерфейса программируемого биомедицинского датчика 1v 450 нВт. IEEE J. Solid State Circ. 44, 1067–1077. doi: 10.1109/JSSC.2009.2014707
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Генерация крайне низкочастотных сигналов с помощью ПК и аудиоусилителя
Мне это не нужно, но я все равно это сделал.
Создавая режим сохранения для программы камеры осциллографа D43 и играя с амплитудно-модулированным умножителем напряжения Грейнахера, я понял, что нашел способ генерировать чрезвычайно низкочастотные сигналы с помощью ПК.
Сигналы, с которыми я работал, были ниже примерно на 10 Гц. Это уже на уровне (или ниже) того, что может произвести типичная звуковая карта для ПК. Меня интересовали не столько низкие частоты, сколько способ умножения аудиосигнала с помощью умножителя напряжения. Имеющееся у меня оборудование не будет работать на высоких частотах, которые мне действительно нужны, чтобы заставить его работать, поэтому я использовал более низкие частоты для имитации высокочастотной системы.
Мне понадобился режим сохранения, чтобы сделать несколько приличных изображений смоделированных сигналов с помощью моего старого аналогового осциллографа.
Чтобы протестировать режим сохранения, я понизил выходную частоту своей тестовой установки, чтобы генерировать синусоиду с периодом 24 секунды. Это 42 миллигерца.
Да, 42 миллигерца на выходе звуковой карты моего ПК.
Ну, почти.
У меня там был обычный аудиоусилитель и, кроме того, умножитель напряжения.
Что я делаю, так это генерирую высокочастотный звуковой сигнал (16 кГц) и модулирую его крайне низкочастотным сигналом. Оба сигнала генерируются в программном обеспечении, и модуляция также выполняется в программном обеспечении.
Выход с ПК выглядит примерно так:
Модулированный выход |
---|
На самом деле это сигнал 840 Гц, модулированный на несущую 16 кГц. Так легче увидеть волны, чем с сигналами, которые я действительно использовал. Несущая выглядит как сплошная область на экране осциллографа при использовании несущей 16 кГц и модулирующего сигнала 1 Гц.
Что я делаю, так это генерирую этот сигнал на ПК, затем посылаю его через линейный выход на аудиоусилитель, который выдает сигнал с размахом около 9 В.
От усилителя сигнал поступает в «демодулятор». Демодулятор представляет собой удвоитель напряжения Грейнахера.
Большинство людей думают, что умножители напряжения генерируют постоянный ток, но факт в том, что выход несколько кратен входу. Если уровень входного сигнала изменяется, то же самое происходит и с выходным уровнем.
Умножитель напряжения, который я использую в качестве демодулятора, был немного изменен, чтобы он лучше отслеживал вход — до предела. С значениями, которые я использую, вы можете получить почти неискаженный сигнал примерно до 10 Гц. Более того, выход больше не может правильно отслеживать вход, и демодулированный сигнал искажается.
Вот демодулятор, который я использовал:
Схема демодулятора |
---|
Самое интересное, что любая частота ниже 10 Гц работает нормально. Он идет вплоть до постоянного тока — я имею в виду, что это умножитель напряжения, а они и известны тем, что генерируют постоянный ток.
Нужно создать 30-дневную синусоиду? Программное обеспечение может это сделать, и если ваш усилитель настолько стабилен, вы можете получить эту синусоиду с длинным периодом из демодулятора.
У меня нет терпения (или какого-либо оборудования для записи и анализа такого медленного сигнала), но я прогоняю сигналы до нескольких минут.
Когда я решил написать этот пост, я подумал, что было бы вежливо опубликовать и программное обеспечение.
Я собирался немного почистить его, а затем опубликовать, и в итоге вчера потратил несколько часов на его улучшение и приведение в порядок.
Если вы хотите использовать его, вам понадобятся Pure Data.
Я рекомендую пакет Purr Data. По ссылке доступна версия для Windows и Mac. Пользователи Linux могут получить его через систему управления пакетами любого дистрибутива, который вы используете. Purr Data предлагает множество дополнительных функций, которых нет в оригинальном Pure Data. Вы можете получить все дополнения в разных местах в Интернете, но у Purr Data все они собраны и готовы к использованию.
Pure Data — это своего рода графический язык программирования, ориентированный на управление звуковыми сигналами. Что-то вроде GNU Radio, за исключением того, что оно предназначено для аудио, а не для радио, и что Pure Data существует дольше. GNU Radio впервые было опубликовано в 2001 году, тогда как Pure Data существует с 1996 года.
В любом случае, я разместил «заплатку» Pure Data для генератора крайне низких частот на github после его очистки.
Графический интерфейс выглядит следующим образом:
Генератор сигналов GUI |
---|
Я намеренно оставил «внутренности» торчащими наружу.
Мне нравится работать с Pure Data, потому что вы можете менять вещи вживую. Нужен усилитель? Разорвите трассу и вставьте блок умножения. Нужен еще один осциллятор? Опустите один и добавьте его в свой вывод. Никаких остановок, никакой компиляции, просто продолжайте добавлять вещи и возиться.
С внутренностями, висящими рядом с графическим интерфейсом, он как бы приглашает меня поиграть с ним и заставить его делать новые вещи. Вчера я провел буквально несколько часов, глядя на выходные данные осциллографа и возясь с патчем.
Я добавил генератор прямоугольных импульсов и выход постоянного тока, пока возился с вещами. А почему бы не?
Разумеется, напряжение не указано. Выходной уровень зависит от регулятора громкости вашего ПК. Это зависит от выходного уровня вашего усилителя. Нет никакого практического способа откалибровать это. Вам просто нужно отрегулировать элементы управления и измерить уровень выходного сигнала.
Помогает то, что демодулированный выходной уровень почти полностью не зависит от частоты. Вы можете установить выход на «высокую» частоту (например, 5 Гц), чтобы отрегулировать настройки уровня, а затем переключиться на синусоиду с 5-дневным периодом, и уровень останется прежним.