KR20210106392A - Adapative gain control neural signal detection circuit - Google Patents
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Abstract
Description
본 기술은 적응형 이득 조절 뇌 신경 신호 검출회로와 관련된다. The present technology relates to an adaptive gain control brain neural signal detection circuit.
신경학적 장치를 사용하여 다양한 신경학적 및 정신적 장애가 임상적으로 감지되고 치료 가능한 것으로 입증되었다. 이전의 여러 연구에서 비정상적인 뇌 활동의 증상은 전기 자극을 통해 완화될 수 있으며 이러한 치료의 효과는 폐쇄 루프 방식으로 수행될 때 현저하게 개선되는 것으로 나타났다. 이에 따라 폐루프 신경 조절용 IC(closed-loop neuro-modulation IC)가 활발히 연구되고 있다. 저전력 이식 형 양방향 신경 인터페이스 시스템은 장시간 뇌 기능의 폐쇄 루프 제어가 필요한 환자에게 적용될 수 있다. 그러나 기존의 양방향 신경 인터페이스 시스템은 신경 신호의 고 충실도 기록(hi-fidelity recording) 및 전기 자극을 동시에 수행하기가 어렵다는 문제가 있다. A variety of neurological and psychiatric disorders have been demonstrated to be clinically detectable and treatable using neurological devices. Several previous studies have shown that symptoms of abnormal brain activity can be alleviated through electrical stimulation, and the effectiveness of these treatments is markedly improved when performed in a closed-loop manner. Accordingly, closed-loop neuro-modulation ICs are being actively studied. The low-power implantable bidirectional neural interface system can be applied to patients who need closed-loop control of brain function for a long time. However, the existing bidirectional neural interface system has a problem in that it is difficult to simultaneously perform high-fidelity recording of neural signals and electrical stimulation.
자극을 위해 제공되는 전압은 일반적으로 측정 대상인 뇌 신경 신호에 비하여 수 ~ 수백배 큰 전압일 수 있다. 이러한 큰 진폭을 갖는 자극 신호의 일부가 기록 회로의 입력에 나타나며 이를 자극 아티팩트(SA, stimulation artifact)라고 한다. 자극 아티팩트 SA는 기록된 신경 신호의 상당한 왜곡을 유발하고 심지어 회로에 완전한 포화를 유발하여 결과적으로 목표하는 폐쇄 루프 신경 조절 작업을 수행하는 것을 곤란하게 한다.The voltage provided for stimulation may be several to hundreds of times greater than that of a brain nerve signal to be measured in general. A portion of the stimulation signal with this large amplitude appears at the input of the recording circuit and is referred to as a stimulation artifact (SA). Stimulation artifact SA causes significant distortion of recorded neural signals and even complete saturation of the circuitry, making it difficult to perform targeted closed-loop neuromodulation tasks as a result.
아티팩트는 뉴럴 레코딩 시스템에서 목적하지 않는 잡음(noise)이고, 뇌 신경 신호를 큰 이득으로 증폭하는 경우에는 아티팩트까지 증폭된다. 따라서, 증폭된 아티팩트에 의하여 포화(saturation)가 발생하므로 목적하는 뇌 신경 신호를 검출하지 못하는 문제가 발생한다. Artifacts are unwanted noise in a neural recording system, and when amplifying a brain neural signal with a large gain, the artifact is amplified. Accordingly, since saturation occurs due to the amplified artifacts, there is a problem in that a target brain nerve signal cannot be detected.
본 기술은 이러한 종래 기술의 난점을 해소하는 것이 해결하고자 하는 과제 중 하나이다. 즉, 본 기술로 해결하기 위한 과제 중 하나는 이득을 적응적으로 조절함으로써 다이내믹 레인지를 확장하여 목적하는 뇌 신경 신호를 검출할 수 있는 기술을 제공하기 위한 것이다.The present technology is one of the problems to be solved to solve the difficulties of the prior art. That is, one of the tasks to be solved by the present technology is to provide a technology capable of detecting a target brain neural signal by extending a dynamic range by adaptively adjusting a gain.
본 실시예에 의한 신경 신호 검출 회로는 신경 신호와 아티팩트가 중첩되어 입력된 신호의 크기에 따라 적응적으로 이득(gain)을 조절하여 차동 신호로 출력하는 증폭기 부(amplifier unit); 및 증폭기 부의 출력 신호를 제공받고, 출력 신호의 레벨에 상응하는 레벨 코드를 출력하는 제1 ADC와, 차동 신호의 차이를 누적하여 형성된 전압차를 비교하여 출력하는 제2 ADC 및 제2 ADC의 출력에 따라 레벨 코드를 증감하여 입력된 신호에 상응하는 디지털 코드를 출력하는 로직 회로부를 포함하는 아날로그 디지털 변환기를 포함하고, 증폭기부는 레벨 코드로부터 증폭기부의 이득을 조절한다. The neural signal detection circuit according to this embodiment includes: an amplifier unit that adaptively adjusts a gain according to the size of an input signal by overlapping a neural signal and an artifact and outputs a differential signal; and a first ADC that receives an output signal from the amplifier unit and outputs a level code corresponding to the level of the output signal, and a second ADC and a second ADC that compares and outputs a voltage difference formed by accumulating the difference of the differential signal and an analog-to-digital converter including a logic circuit unit for outputting a digital code corresponding to an input signal by increasing/decreasing a level code according to , and the amplifier unit adjusts a gain of the amplifier unit from the level code.
본 실시예에 의한 신호 검출 회로는 제1 신호와, 제1 신호에 비하여 진폭이 큰 제2 신호가 중첩되어 입력된 신호의 크기에 따라 적응적으로 이득(gain)을 조절하여 차동 신호로 출력하는 증폭기 부(amplifier unit); 및 증폭기 부의 출력 신호 레벨에 상응하는 레벨 코드로 변환하는 제1 ADC(coarse ADC)와, 차동 신호의 차이를 누적하여 형성된 전압차를 비교하여 출력하는 제2 ADC 및 제2 ADC의 출력에 따라 기준 코드를 증감하여 입력된 신호에 상응하는 디지털 코드를 출력하는 로직 회로부를 포함하는 아날로그 디지털 변환기를 포함하고, 증폭기부는 기준 코드로부터 증폭기부의 이득을 조절한다.In the signal detection circuit according to the present embodiment, a first signal and a second signal having a larger amplitude than that of the first signal are superimposed, and the gain is adaptively adjusted according to the size of the input signal and output as a differential signal. an amplifier unit; and a first ADC (coarse ADC) that converts a level code corresponding to the output signal level of the amplifier unit, and a second ADC that compares and outputs a voltage difference formed by accumulating the difference of the differential signal and a reference according to the output of the second ADC and an analog-to-digital converter including a logic circuit unit for outputting a digital code corresponding to an input signal by increasing or decreasing the code, and the amplifier unit adjusts a gain of the amplifier unit from the reference code.
본 실시예에 의하면 넓은 다이내믹 레인지를 가져 진폭 차이가 큰 신호가 입력되어도 포화되지 않고 신호를 검출할 수 있다는 장점이 제공된다. According to the present embodiment, it has a wide dynamic range, so even when a signal having a large amplitude difference is input, the signal can be detected without being saturated.
도 1은 본 실시예에 의한 뇌 신경 신호 검출 회로의 개요를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 실시예에 의한 뇌 신경 신호 측정 회로를 보다 상세하게 도시한 회로도이다.
도 3은 커패시터 뱅크(Cp, Cn)의 개요를 도시한 도면이다.
도 4(a) 내지 도 4(c)는 증폭기 부(200)가 출력하는 신호의 개형을 도시한 도면이다.
도 5는 제2 ADC(120)와 로직 회로부(130)의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 6은 본 실시예에 의한 뇌 신경 신호 검출 회로의 다이를 촬영한 현미경 사진이다.
도 7은 본실시예에 의한 뇌 신경 신호 검출 회로의 입력에 따른 SNDR(signal to noise distortion ratio)의 변화를 도시한 도면이다. Fig. 1 is a block diagram showing the outline of a brain neural signal detection circuit according to the present embodiment.
2 is a circuit diagram showing in more detail the brain neural signal measuring circuit according to the present embodiment.
3 is a diagram showing an outline of the capacitor banks Cp and Cn.
4(a) to 4(c) are diagrams illustrating the shape of a signal output by the
5 is a timing diagram for explaining the operations of the
6 is a photomicrograph of the die of the brain neural signal detection circuit according to the present embodiment.
7 is a diagram illustrating a change in signal to noise distortion ratio (SNDR) according to an input of a brain neural signal detection circuit according to the present embodiment.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예를 설명한다. 다만, 본 실시예를 설명하기 위하여 첨부된 도면들에서 선로는 복수의 선로를 포함하는 버스 또는 단일한 선로를 의미할 수 있다. 또한, 본 실시예의 각 요소들은 단일단 신호 방식(single ended signaling scheme)으로 동작하거나, 또는 차동 신호 방식(differential signaling scheme)으로 동작할 수 있다. Hereinafter, this embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. However, in the accompanying drawings for describing the present embodiment, a line may mean a bus including a plurality of lines or a single line. In addition, each element of the present embodiment may operate in a single ended signaling scheme or in a differential signaling scheme.
도 1은 본 실시예에 의한 뇌 신경 신호 검출 회로의 개요를 도시한 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 뇌신경 신호 검출 회로는 입력된 뇌 신경 신호의 크기에 따라 적응적으로 이득(gain)을 조절하여 차동 신호로 출력하는 증폭기 부(amplifier unit, 200) 및 증폭기 부(200)의 출력 신호를 제공받고, 출력 신호의 레벨에 상응하는 레벨 코드를 출력하는 제1 ADC(coarse ADC, 110)와, 차동 신호의 차이를 누적하여 형성된 전압차를 비교하여 출력하는 제2 ADC(fine ADC, 120) 및 제2 ADC(120)의 출력에 따라 레벨 코드를 증감하여 입력된 뇌신경 신호에 상응하는 디지털 코드를 출력하는 로직 회로부(130)를 포함하는 아날로그 디지털 변환기(100)를 포함하고, 증폭기부(200)는 기준 코드로부터 증폭기부(200)의 이득을 적응적으로 조절한다.Fig. 1 is a block diagram showing the outline of a brain neural signal detection circuit according to the present embodiment. Referring to FIG. 1 , the cranial nerve signal detection circuit according to the present embodiment adaptively adjusts a gain according to the size of an input cranial nerve signal and outputs an
일 실시예로, 측정된 뇌 신경 신호는 차동 신호(Vinp, Vinn)의 형태로 제공될 수 있다. 차동 형태의 뇌 신경 신호는 저잡음 증폭기(LNA)에 의하여 증폭되어 증폭기부(200)에 출력된다. In an embodiment, the measured brain neural signal may be provided in the form of differential signals (Vinp, Vinn). The differential brain neural signal is amplified by a low noise amplifier (LNA) and output to the
도 2는 본 실시예에 의한 뇌 신경 신호 측정 회로를 보다 상세하게 도시한 회로도이다. 도 2를 참조하면, 저잡음 증폭기(LNA, 도 1 참조)의 차동 출력 신호(LNAoutp, LNAoutn)는 증폭기부(200)에 제공된다. 증폭기부(200)는 차동 증폭기(210)와, 차동 증폭기(210)의 차동 입력과 차동 출력을 연결하는 궤환 경로(feedback path)에 각각 위치하여 제어 가능한 등가 커패시턴스를 가지는 커패시터 뱅크(Cp, Cn)를 포함한다. 2 is a circuit diagram showing in more detail the brain neural signal measuring circuit according to the present embodiment. Referring to FIG. 2 , the differential output signals LNAoutp and LNAoutn of the low noise amplifier (LNA, see FIG. 1 ) are provided to the
도 3은 커패시터 뱅크(Cp, Cn)의 개요를 도시한 도면이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 커패시터 뱅크(Cp, Cn)는 이득 조절부(220)가 제공하는 이득 조절 코드(GC)에 의하여 도통 및/또는 차단이 제어되는 스위치들을 포함한다. 커패시터 뱅크(Cp, Cn)에 포함된 스위치들은 이득 조절 코드(GC)에 의하여 도통 및/또는 차단이 제어되므로, 커패시터 뱅크(Cp, Cn)의 등가 커패시턴스는 이득 조절 코드(GC)에 의하여 제어된다. 또한, 커패시터 뱅크(Cp, Cn)는 차동 증폭기(210)의 궤환 경로(feedback path)에 위치하므로 커패시터 뱅크(Cp, Cn)의 등가 커패시터스를 제어함으로써 증폭기 부(200)의 이득을 제어할 수 있다. 일 실시예로, 커패시터 뱅크(Cp, Cn)의 등가 커패시턴스는 이득 조절 코드(GC)에 의하여 10 fF 에서 30 pF 까지 변화할 수 있다. 3 is a diagram showing an outline of the capacitor banks Cp and Cn. 2 and 3 , the capacitor banks Cp and Cn include switches whose conduction and/or disconnection are controlled by the gain control code GC provided by the
증폭기부(200)가 출력한 뇌 신경 신호는 제1 ADC(110)에 입력된다. 제1 ADC는 입력된 뇌 신경 신호의 레벨에 상응하는 레벨 코드(DLEV)를 형성하여 이득 조절부(220) 및 로직 회로부(130)에 출력한다. 레벨 코드(DLEV)를 입력받은 이득 조절부(220)는 뇌 신경 신호의 레벨에 상응하도록 증폭기 부(400)의 이득을 조절한다. 또한, 이득 조절부(220)는 이득 조절 코드(GC)를 적응적 클록 생성기(129)에 출력한다. The brain nerve signal output by the
일 실시예로, 제1 ADC(110)는 이진 탐색(binary search)을 수행하여 아날로그 디지털 변환을 수행하는 SAR ADC(Successive-approximation ADC)일 수 있으며, 전력 소모를 감소시킬 수 있다. In an embodiment, the
도 4(a) 내지 도 4(c)는 증폭기 부(200)가 출력하는 신호의 개형을 도시한 도면이다. 도 4(a)는 포화가 발생한 경우를 도시한 도면이다. 도 4(a)를 참조하면, 검정색 실선으로 도시된 신호는 뇌 신경 신호와 자극 아티팩트 또는 동작 아티팩트등의 아티팩트가 중첩된 신호이다. 이를 고정 이득 증폭기로 증폭하면 청색으로 도시된 증폭기의 출력 신호는 포화(saturation)가 발생하여 뇌신경 신호를 측정 및 기록할 수 없다. 4(a) to 4(c) are diagrams illustrating the shape of a signal output by the
도 4(b)는 뇌 신경 신호가 아티팩트와 중첩되어 증폭기 부(200)의 입력으로 제공된 경우에 본 실시예에 의한 증폭기 부(200)의 출력 신호의 관계를 도시한 도면이다. 참고로, 도 4(b)에서 청색으로 도시된 입력 신호와 적색으로 도시된 출력 신호는 서로 다른 비례로 도시되었다. 도 4(b)를 참조하면, 제1 ADC(110)는 아티팩트와 중첩된 입력 신호의 레벨에 상응하는 레벨 코드(DLEV)를 형성하여 이득 조절부(220)에 제공한다. 이득 조절부(220)는 입력된 레벨 코드(DLEV)가 문턱치(Vth,k) 보다 큰 경우에는 해당 문턱치에 상응하도록 이득 조절 코드(GC)를 형성하여 커패시터 뱅크(Cp, Cn)에 출력한다. FIG. 4( b ) is a diagram illustrating a relationship between an output signal of the
이득 조절 코드(GC)에 상응하는 등가 커패시턴스가 형성된 커패시터 뱅크(Cp, Cn)에 의하여 증폭기 부(200)의 이득이 제어되므로 뇌 신경 신호를 도 4(b)에서 적색 선으로 도시된 것과 같이 포화없이 증폭하여 출력할 수 있다. Since the gain of the
도 4(c)는 진폭이 점차 증가하는 뇌 신경 신호가 증폭기 부(200)의 입력으로 제공된 경우에 본 실시예에 의한 증폭기 부(200)의 출력 신호의 관계를 도시한 도면이다. 마찬가지로 도 4(b)와 같이 청색으로 도시된 입력 신호와 적색으로 도시된 출력 신호는 서로 다른 비례로 도시되었다. 도 4(c)를 참조하면, 진폭이 점차 증가하는 뇌신경 신호(청색)가 입력되면, 제1 ADC(110)는 뇌신경 입력 신호의 레벨에 상응하는 레벨 코드(DLEV)를 형성하여 이득 제어부(220)에 제공한다. 이득 제어부(220)는 입력된 레벨 코드(DLEV)가 문턱치(Vth,k) 보다 큰 경우에는 해당 문턱치에 상응하도록 이득 조절 코드(GC)를 형성하여 커패시터 뱅크(Cp, Cn)에 출력한다. FIG. 4( c ) is a diagram illustrating a relationship between an output signal of the
이득 조절 코드(GC)에 상응하는 등가 커패시턴스가 형성된 커패시터 뱅크(Cp, Cn)에 의하여 증폭기 부(200)의 이득이 제어되므로 뇌 신경 신호를 도 4(c)에서 적색 선으로 도시된 것과 같이 포화없이 증폭하여 출력할 수 있다. Since the gain of the
도시된 실시예에서, 이득 조절부(220)는 복수의 임계치에 상응하는 코드들을 저장할 수 있으며, 제1 ADC(110)가 제공한 레벨 코드(DLEV)와의 대소 관계를 파악하여 증폭기 부(220)가 적합한 이득으로 입력된 신호를 증폭하도록 이득 조절 코드(GC)를 형성하여 출력한다. In the illustrated embodiment, the
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 증폭기부(200)가 증폭하여 출력한 신호는 제2 ADC(120)에 제공된다. 제2 ADC(120)는 증폭기부(200)가 증폭하여 출력한 신호를 누적하는 제1 적분기(INT1)와 제1 적분기(INT1)의 출력을 누적하여 출력하는 제2 적분기(INT2) 및 제1 적분기(INT1)의 출력을 피드포워드(feed-forward)하는 아날로그 멀티플라이어(k, 126)와 제2 적분기(INT2)의 출력과 피드포워드된 제1 적분기(INT1)의 출력을 비교하는 비교기(128)를 포함할 수 있다. 즉, 비교기(128)는 피드 포워드된 제1 적분기의 출력과 제2 적분기의 출력의 합을 차동적으로 비교한다. 따라서, 제1 적분기의 비반전 출력 노드와 제2 적분기의 비반전 출력 노드에서의 전압의 합과 제1 적분기의 반전 출력 노드와 제2 적분기의 반전 출력 노드에서의 전압의 합을 서로 비교한 결과를 비교 결과 신호(DΔΣ)로 출력한다. Referring back to FIGS. 1 and 2 , the signal amplified and output by the
증폭기부(200)가 증폭하여 출력한 신호는 블로킹 커패시터(Cs)를 통하여 적분기(INT1)의 입력에 제공된다. 블로킹 커패시터는 증폭기부(200)가 증폭하여 출력한 신호에서 직류 성분을 제거하고 교류 신호 성분을 제1 적분기(INT1)의 입력으로 제공한다. 일 실시예로, 제2 ADC(120)는 제2 적분기(INT2)를 더 포함할 수 있으며, 제2 적분기(INT2)는 제1 적분기에 종속 접속(cascade)될 수 있다. The signal amplified and output by the
종속 접속된 제1 적분기(INT1)과 제2 적분기(INT2)는 두 개의 극점(pole)을 가지는 저역 통과 필터로 기능할 수 있으며, 아날로그 멀티플라이어(126, 도 1 참조)를 이용하여 피드 포워드하는 구성으로 영점(zero)을 삽입하여 안정성을 얻을 수 있다.The cascaded first integrator INT1 and the second integrator INT2 can function as a low-pass filter having two poles, and feed-forward using an analog multiplier 126 (see FIG. 1). Stability can be obtained by inserting a zero point into the configuration.
제1 적분기(INT1)는 비반전 입력(non-inverting input)과 반전 입력(inverting input) 사이에 형성된 전압차에 상응하는 전류를 출력하는 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기(Gm1)와 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기(Gm1)의 비반전 출력에서 제공하는 + 전류와 반전 출력에서 제공하는 - 전류를 누적하여 전압 신호를 형성하는 커패시터를 포함할 수 있다. The first integrator INT1 includes a first transconductance amplifier Gm1 that outputs a current corresponding to a voltage difference formed between a non-inverting input and an inverting input, and a first transconductance amplifier ( A capacitor may be included to form a voltage signal by accumulating the + current provided by the non-inverting output of Gm1) and the - current provided by the inverting output of the Gm1).
따라서, 제1 적분기(INT1)는 증폭기 부(200)가 차동적으로 형성하여 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기(Gm1)의 비반전 입력으로 제공한 제1 신호와, 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기(Gm1)의 반전 입력으로 제공한 제2 신호의 차이를 누적한다. Accordingly, the first integrator INT1 is a first signal differentially formed by the
제2 적분기(INT2)는 제1 적분기(INT1)가 형성한 신호를 제공받고 다시 누적하여 비교기(128)에 출력한다. 비교기(128)는 증폭기 부(200)가 차동 신호의 형태로 출력하여 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기(Gm1)의 비반전 입력에 제공한 제1 신호를 제1 적분기(INT1)와 제2 적분기(INT2)가 누적하여 형성한 신호의 크기와, 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기(Gm1)의 반전 입력에 제공한 제2 신호를 제2 적분기(INT1)와 제2 적분기(INT2)가 누적하여 형성한 신호의 크기 및 피드 포워드된 상기 제1 적분기의 누적 결과의 크기를 비교한다. The second integrator INT2 receives the signal formed by the first integrator INT1 , accumulates it again, and outputs it to the
비교기(128)는 제1 신호를 누적한 값이 제2 신호를 누적한 값에 비하여 크면 논리 하이 상태의 비교 결과 코드(DΔΣ)를 출력하고, 반대로 제2 신호를 누적한 값이 제1 신호를 누적한 값에 비하여 크면 논리 로우 상태의 비교 결과 코드(DΔΣ)를 출력한다. The comparator 128 outputs a comparison result code D ΔΣ in a logic high state when the accumulated value of the first signal is greater than the accumulated value of the second signal, and on the contrary, the accumulated value of the second signal is the first signal is greater than the accumulated value, the comparison result code D ΔΣ in the logic low state is output.
비교 결과 코드(DΔΣ)는 로직 회로부(130)에 제공된다. 로직 회로부(130)는 제1 ADC(110)가 출력한 레벨 코드(DLEV)와 제2 ADC(120)가 출력한 비교 결과 코드(DΔΣ)를 제공받고, 증폭기 부(200)가 증폭하여 출력한 뇌 신경 신호에 상응하는 디지털 코드(DOUT)을 형성하는 조합 회로(132, combiner)를 포함한다. The comparison result code D ΔΣ is provided to the
로직 회로부(130)의 일 실시예로, 로직 회로부(130)는 조합 회로(132)가 형성한 디지털 코드의 일부 비트를 버리는 비트 버림부(truncation unit, 134)를 더 포함할 수 있다. 일 예로, 조합 회로(132)의 출력 비트수가 높아서 데이터 처리에병목현상(data bottleneck)이 발생하는 경우에는 조합 회로(132)가 출력한 디지털 코드(DOUT)의 하위 두 비트를 버릴 수 있다.As an embodiment of the
일 실시예로, 로직 회로부(130)는 크기 차이 제어 코드 생성부(ADCC gen., amplitude difference control code generator,136)를 더 포함할 수 있다. 크기 차이 제어 코드 생성부(136)는 차동 신호 크기 차이 조절 회로(121p, 121n)에 포함된 커패시터 뱅크(Cp. Cn)에 포함된 커패시터들의 일 전극에 접지 전압(VGND) 및 부스트 전압(VBST) 중 어느 하나를 연결하는 스위치들을 제어하는 코드를 형성하는 제어 코드 생성 회로(미도시) 및 커패시터 형성 과정의 PVT 변동에 의하여 발생하는 커패시턴스 차이를 완화하기 위하여 커패시터 댁에 포함된 커패시터들을 고르게 로직 회로부(130)턴 온/턴 오프하도록 구동하는 동적 요소 선택(dynamic element matching) 회로(미도시)를 더 포함할 수 있다. In an embodiment, the
증폭기 부(200)가 증폭하여 출력한 뇌 신경 신호에 상응하는 디지털 코드(DOUT)는 크기 차이 제어 코드 생성부(136)에 제공된다. 크기 차이 제어 코드 생성부(136)가 형성하여 출력한 제어 코드는 차동 신호 크기 차이 조절 회로(121p, 121n)에 제공되고, 제2 ADC(120) 제1 트랜스 컨덕턴스 증폭기(Gm1)의 비반전 입력과 반전 입력 사이에 형성되는 전압 차이를 감소시킨다. The digital code D OUT corresponding to the brain neural signal amplified and output by the
일 실시예로, 증폭기부(200)가 출력한 차동 신호 중 비반전 입력에 제공되는 제1 신호의 크기가 반전 입력에 제공되는 제2 신호의 크기에 비하여 큰 경우에 제2 ADC(120)는 논리 하이 상태의 비교 결과 코드(DΔΣ)를 출력한다.In one embodiment, when the magnitude of the first signal provided to the non-inverting input among the differential signals output by the
조합 회로(132)는 비교 결과 코드(DΔΣ)와 레벨 코드(DLEV)를 조합하여 증폭기 부(200)가 증폭하여 출력한 뇌 신경 신호에 상응하는 디지털 코드(DOUT)를 형성하고, 제어 코드 형성부는 디지털 코드(DOUT)에 상응하도록 커패시터 댁(capacitor DAC, CDACp. CDACn)의 스위치를 제어하는 코드를 형성한다. The
제어 코드 생성 회로(미도시)가 형성한 코드는 서로 상보적으로 동작하여 적분기의 입력에서 형성되는 신호의 크기 차이를 제어하는 차동 신호 크기 차이 조절 회로(121p, 121n)에 제공된다. 차동 신호 크기 차이 조절 회로(121p, 121n)는 서로 상보적으로 동작하는 스위치에 제공된다. The codes formed by the control code generating circuit (not shown) are provided to the differential signal magnitude
즉, 제어 코드 생성 회로는 제1 트랜스 컨덕턴스 증폭기(Gm1)의 비반전 노드의 전압이 제1 트랜스 컨덕턴스 증폭기(Gm2)의 반전 노드의 전압에 비하여 크므로, 커패시터 뱅크(Cp)에서 부스트 전압(VBST)에 연결된 커패시터의 개수를 감소시키도록 제어 코드를 형성하여 출력하고, 커패시터 뱅크(Cn)에서 부스트 전압(VBST)에 연결된 커패시터의 개수를 감소시키도록 제어 코드를 형성하여 출력한다. 따라서, 제2 ADC의 입력단에서 형성되는 입력 신호의 크기 차이는 일정하게 유지될 수 있다. That is, the control code generating circuit is a boost voltage from the first is larger than the voltage at the inverting node of the transconductance amplifier (Gm1) a first transconductance amplifier (Gm2) voltage of the non-inverting node of the capacitor bank (C p) ( A control code is formed and output to reduce the number of capacitors connected to V BST , and a control code is formed and output to reduce the number of capacitors connected to the boost voltage V BST in the capacitor bank C n . Accordingly, the difference in magnitude of the input signal formed at the input terminal of the second ADC may be kept constant.
도 5는 제2 ADC(120)와 로직 회로부(130)의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다. 도 5를 참조하면. 증폭기 부(200)가 증폭하여 출력한 뇌 신경 신호는 청색의 INPUT 신호로 도시되었다. 구간 ①에서 제1 ADC(coarse ADC)가 뇌 신경 신호(INPUT)을 샘플하고, 샘플한 결과를 레벨 코드(DLEV)로 출력한다. 도 5에서 레벨 코드(DLEV)로 표시된 실선은 디지털 코드에 상응하는 전압을 표시한 것이다. 5 is a timing diagram for explaining the operations of the
조합 회로부(130)는 레벨 코드(DLEV)와 비교 결과 코드(DΔΣ)를 제공받고, 비교 결과 코드(DΔΣ)가 논리 하이 상태인 경우에는 레벨 코드(DLEV)를 두 단계 증가시키다. 이것은 일 예로, 구간 ① 에서, DAC 레벨이 N 이상이고, N+1 미만인경우에는 N으로 양자화 되기 때문에 논리 하이 상태인 경우에는 레벨 코드(DLEV)를 두 단계 증가시켜 상응하는 디지털 코드를 형성한다. The
반대로, 비교 결과 코드(DΔΣ)가 논리 로우 상태인 경우에는 레벨 코드(DLEV)를 한 단계 감소시켜 증폭기 부(200)가 증폭하여 출력한 뇌 신경 신호에 상응하는 코드(DOUT)를 생성한다. Conversely, when the comparison result code D ΔΣ is in a logic low state, the level code D LEV is decreased by one step to generate a code DOUT corresponding to the brain neural signal amplified and output by the
증폭기가 출력하여 제공한 뇌 신경 신호가 급하게 증가하거나 급하게 감소하는 경우가 있을 수 있다(도 2(b) 참조). 즉, 순간적으로 변화량이 큰 입력 신호가 제공되는 경우에는 증폭기 부(200)의 이득이 급하게 감소하여 제2 ADC(120)의 해상도가 감소할 수 있다. 이러한 경우에, 구간 ③으로 예시된 것과 같이 제2 ADC(120)의 해상도를 유지하기 위하여 비교기(180)의 클록을 부스팅한다. There may be cases in which the brain nerve signal output and provided by the amplifier abruptly increases or decreases rapidly (see FIG. 2(b) ). That is, when an input signal having a large instantaneous change amount is provided, the gain of the
일 예로, 적응형 클록 생성기(128)은 이득 조절부(220)가 제공한 이득 조절 코드(GC)를 입력받고, 증폭기 부(200)의 이득이 급하게 감소할 때에는 제2 ADC(120)의 해상도를 향상시키기 위해 비교기에 제공되는 클록을 부스팅시켜서 제공한다. 일 예로, 비교기에 제공되는 부스팅 클록은 구간 ①, 구간 ② 로 표시된 일반적인 구간에 제공되는 클록 주파수에 비하여 두 배 이상, 바람직하게는 세 배 이상의 주파수를 가질 수 있다. As an example, the
이상은 아티팩트와 중첩된 뇌신경 신호를 검출하고 기록하는 회로에 관한 실시예를 설명하였다. 그러나, 위에 개시된 내용으로부터 중첩되어 제공된 진폭 차이가 큰 두 신호를 검출하고 기록하는 회로로 실시될 수 있음은 물론이다. The above has described the embodiment of the circuit for detecting and recording the cranial nerve signal overlapped with the artifact. However, it goes without saying that it can be implemented as a circuit for detecting and recording two signals having a large amplitude difference provided superimposed from the above disclosure.
구현 및 실험예 Implementation and Experimental Examples
도 6은 본 실시예에 의한 뇌 신경 신호 검출 회로의 다이를 촬영한 현미경 사진이다. 도 6을 참조하면, 본 실시예에 의한 뇌 신경 신호 검출 회로는 180nm 공정으로 구현되었다. 다이의 총 소모 면적은 0.72mm2이었다. 6 is a photomicrograph of the die of the brain neural signal detection circuit according to the present embodiment. Referring to FIG. 6 , the brain neural signal detection circuit according to the present embodiment is implemented in a 180 nm process. The total consumed area of the die was 0.72 mm 2 .
본 실시예에 의한 뇌 신경 신호 검출 회로의 전력 소모를 분석하였다. 제1 ADC가 320kHz로 동작할 때, 제1 ADC는 2.74μW의 전력을 소모하였으며, 제1 ADC와 제2 ADC는 도합 7.1 μW의 전력을 소모하였다. The power consumption of the brain neural signal detection circuit according to the present embodiment was analyzed. When the first ADC operated at 320 kHz, the first ADC consumed 2.74 μW of power, and the first ADC and the second ADC consumed a total of 7.1 μW of power.
입력 신호가 갑자기 크게 변화하는 경우에는 비교기에 제공되는 클록의 주파수가 부스팅되어 제공된다. 본 실시예에서, 비교기에 제공되는 클록은 일반적인 경우에 비하여 세 배 높게 제공하였다. 이러한 경우, 제1 ADC는 위와 동릴하게 2.74μW의 전력을 소모하였으며, 제1 ADC와 제2 ADC는 도합하여 10.9 μW의 전력을 소모하였다. In case the input signal suddenly changes significantly, the frequency of the clock provided to the comparator is boosted and provided. In this embodiment, the clock provided to the comparator is provided three times higher than in the general case. In this case, the first ADC consumed 2.74 μW of power in the same way as above, and the first ADC and the second ADC consumed a total of 10.9 μW of power.
도 7은 본실시예에 의한 뇌 신경 신호 검출 회로의 SNDR(signal to noise distortion ratio)를 도시한 도면이다. 도 7을 참조하면, 본 실시예에 의한 뇌 신 경 신호 검출 회로의 SNDR은 증폭기 부의 이득이 16일 때 최대 70.1 dB에 이르는 것을알 수 있고, 97dB의 넓은 동적 영역(dynamic range, DR) 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.7 is a diagram illustrating a signal to noise distortion ratio (SNDR) of the brain neural signal detection circuit according to the present embodiment. Referring to FIG. 7 , it can be seen that the SNDR of the brain nerve signal detection circuit according to this embodiment reaches a maximum of 70.1 dB when the gain of the amplifier part is 16, and a wide dynamic range (DR) characteristic of 97 dB is obtained. You can check what you have.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.Although it has been described with reference to the embodiment shown in the drawings in order to help the understanding of the present invention, this is an embodiment for implementation, it is merely an example, and various modifications and equivalents from those of ordinary skill in the art It will be appreciated that other embodiments are possible. Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.
100: 델타 시그마 ADC
110: 제1 ADC
120: 제2 ADC
122, 124: 제1 및 제2 적분기
121p, 121n: 차동 신호 크기 차이 조절 회로
126: 아날로그 멀티플라이어
128: 비교기
129: 적응적 클록 생성기
130: 로직 회로부
132: 조합 회로부
134: 비트 버림부
136: 크기 차이 제어 코드 생성부
200: 증폭기 부100: delta sigma ADC 110: first ADC
120:
121p, 121n: differential signal magnitude difference adjustment circuit
126: analog multiplier 128: comparator
129: adaptive clock generator 130: logic circuitry
132: combination circuit section 134: bit discard section
136: size difference control code generation unit 200: amplifier unit
Claims (16)
상기 증폭기 부의 출력 신호를 제공받고, 상기 출력 신호의 레벨에 상응하는 레벨 코드를 출력하는 제1 ADC와,
상기 차동 신호의 차이를 누적하여 형성된 전압차를 비교하여 출력하는 제2 ADC 및
상기 제2 ADC의 출력에 따라 상기 레벨 코드를 증감하여 상기 입력된 신호에 상응하는 디지털 코드를 출력하는 로직 회로부를 포함하는 아날로그 디지털 변환기를 포함하고,
상기 증폭기부는 상기 레벨 코드로부터 상기 증폭기부의 이득을 조절하는 신경 신호 검출 회로. an amplifier unit (amplifier unit) for outputting a differential signal by adaptively adjusting a gain (gain) according to the size of the input signal by overlapping the neural signal and artifacts; and
a first ADC receiving the output signal of the amplifier unit and outputting a level code corresponding to the level of the output signal;
a second ADC that compares and outputs the voltage difference formed by accumulating the difference of the differential signal; and
and an analog-to-digital converter including a logic circuit unit for outputting a digital code corresponding to the input signal by increasing or decreasing the level code according to the output of the second ADC,
The amplifier unit is a neural signal detection circuit for adjusting the gain of the amplifier unit from the level code.
상기 증폭기부는,
차동적으로 증폭된 상기 입력 신호를 입력받고, 입력을 증폭하여 차동 신호로 출력하는 차동 증폭기;
상기 차동 증폭기의 차동 입력과 상기 차동 출력을 연결하는 궤환 경로(feedback path)에 각각 위치하여 제어 가능한 등가 커패시턴스를 가지는 커패시터 뱅크 및
상기 레벨 코드를 제공받고 상기 레벨 코드에 상응하도록 상기 등가 커패시턴스를 제어하는 이득 조절 코드를 형성하는 이득 조절부를 포함하는 신경 신호 검출 회로. According to claim 1,
The amplifier unit,
a differential amplifier receiving the differentially amplified input signal, amplifying the input and outputting the differential signal;
a capacitor bank having a controllable equivalent capacitance and positioned in a feedback path connecting the differential input and the differential output of the differential amplifier, respectively;
and a gain control unit configured to receive the level code and to form a gain control code for controlling the equivalent capacitance to correspond to the level code.
상기 제2 ADC는,
서로 차동 신호를 이루는 제1 신호와 제2 신호의 차이를 누적하는 제1 적분기와,
상기 제1 적분기와 종속 접속되어 상기 제1 적분기의 출력을 누적하는 제2 적분기와,
상기 제1 적분기의 누적 결과를 피드 포워드하는 아날로그 멀티플라이어 및
상기 제1 적분기의 누적 결과와, 상기 제2 적분기의 누적 결과 및 피드 포워드된 상기 제1 적분기의 누적 결과의 크기를 상호 비교한 결과를 출력하는 신경 신호 검출 회로.According to claim 1,
The second ADC,
a first integrator for accumulating a difference between a first signal and a second signal constituting a differential signal;
a second integrator that is cascaded to the first integrator to accumulate an output of the first integrator;
an analog multiplier for feed-forwarding the cumulative result of the first integrator; and
A neural signal detection circuit for outputting a result of comparing the magnitudes of the accumulation result of the first integrator, the accumulation result of the second integrator, and the size of the feed-forward accumulation result of the first integrator.
상기 제2 ADC는
상기 신호에 상응하는 디지털 코드를 제공받고,
상기 차동 신호 차이의 크기를 제어하는 차동 신호 크기 차이 조절 회로를 포함하는 신경 신호 검출 회로. According to claim 1,
The second ADC is
being provided with a digital code corresponding to the signal,
and a differential signal magnitude difference control circuit for controlling the magnitude of the differential signal difference.
차동 신호 크기 차이 제어 회로는
서로 상보적으로 동작하는 제1 커패시터 뱅크(capacitor bank)와 제2 커패시터 뱅크를 포함하고,
상기 제1 커패시터 뱅크 및 상기 제2 커패시터 뱅크는
복수의 커패시터들과,
상기 복수의 커패시터들의 제1 전극에 연결되고, 상기 차동 신호를 이루는 각 신호가 제공되는 제1 노드와
상기 복수의 커패시터들의 제2 전극에 각각 연결되고, 상기 디지털 코드에 상응하여 상기 제2 노드를 접지 전압 또는 부스트 전압에 연결하는 스위치를 포함하는 신경 신호 검출 회로.5. The method of claim 4,
The differential signal magnitude difference control circuit is
Comprising a first capacitor bank and a second capacitor bank operating complementary to each other,
The first capacitor bank and the second capacitor bank are
a plurality of capacitors,
a first node connected to the first electrode of the plurality of capacitors and provided with each signal constituting the differential signal;
and a switch respectively connected to the second electrode of the plurality of capacitors and connecting the second node to a ground voltage or a boost voltage in response to the digital code.
상기 로직 회로부는,
상기 레벨 코드와 상기 비교 결과 코드를 제공받고, 상기 비교 결과 코드에 따라 상기 레벨 코드를 두 단계 증가하거나, 한 단계 감소시켜 상기 입력된 뇌신경 신호에 상응하는 디지털 코드를 출력하는 조합 회로(combiner)를 포함하는 신경 신호 검출 회로.According to claim 1,
The logic circuit unit,
A combination circuit (combiner) that receives the level code and the comparison result code, and outputs a digital code corresponding to the input cranial nerve signal by increasing the level code by two steps or decreasing the level code by one step according to the comparison result code Neural signal detection circuit comprising.
상기 로직 회로부는,
상기 조합 회로의 출력을 목적하는 해상도에 맞추어 트렁케이션 하는 비트 버림부(truncation unit)를 더 포함하는 신경 신호 검출 회로.7. The method of claim 6,
The logic circuit unit,
The neural signal detection circuit further comprising a bit truncation unit for truncating the output of the combination circuit according to a desired resolution.
상기 뇌 신경 신호 기록 장치는,
상기 레벨 코드로부터 시간당 상기 입력 신호의 증가량이 기준값보다 큰 경우에 상기 비교기에 제공되는 클록 신호의 주파수를 증가시키는 적응적 클록 생성기를 더 포함하는 신경 검출 회로.4. The method of claim 3,
The brain nerve signal recording device,
and an adaptive clock generator for increasing a frequency of a clock signal provided to the comparator when an amount of increase of the input signal per time from the level code is greater than a reference value.
상기 증폭기 부의 출력 신호 레벨에 상응하는 레벨 코드로 변환하는 제1 ADC(coarse ADC)와,
상기 차동 신호의 차이를 누적하여 형성된 전압차를 비교하여 출력하는 제2 ADC 및
상기 제2 ADC의 출력에 따라 상기 기준 코드를 증감하여 상기 입력된 신호에 상응하는 디지털 코드를 출력하는 로직 회로부를 포함하는 아날로그 디지털 변환기를 포함하고,
상기 증폭기부는 상기 기준 코드로부터 상기 증폭기부의 이득을 조절하는 신호 검출 회로. an amplifier unit for outputting a differential signal by adaptively adjusting a gain according to a magnitude of an input signal by superimposing the first signal and a second signal having an amplitude greater than that of the first signal; and
a first coarse ADC (ADC) for converting a level code corresponding to the level of the output signal of the amplifier unit;
a second ADC that compares and outputs the voltage difference formed by accumulating the difference of the differential signal; and
and an analog-to-digital converter including a logic circuit unit for outputting a digital code corresponding to the input signal by increasing or decreasing the reference code according to the output of the second ADC,
The amplifier unit is a signal detection circuit for adjusting a gain of the amplifier unit from the reference code.
상기 증폭기부는,
차동적으로 증폭된 상기 입력 신호를 제공받고, 입력을 증폭하여 차동 신호로 출력하는 차동 증폭기;
상기 차동 증폭기의 차동 입력과 상기 차동 출력을 연결하는 궤환 경로(feedback path)에 각각 위치하여 제어 가능한 등가 커패시턴스를 가지는 커패시터 뱅크 및
상기 제1 코드를 제공받고 상기 제1 코드에 상응하도록 상기 등가 커패시턴스를 제어하는 이득 조절 코드를 형성하는 게인 조절부를 포함하는 신호 검출 회로. 10. The method of claim 9,
The amplifier unit,
a differential amplifier receiving the differentially amplified input signal, amplifying the input and outputting it as a differential signal;
a capacitor bank having a controllable equivalent capacitance and positioned in a feedback path connecting the differential input and the differential output of the differential amplifier, respectively;
and a gain adjusting unit receiving the first code and forming a gain adjusting code for controlling the equivalent capacitance to correspond to the first code.
상기 제2 ADC는,
반전 관계로 상기 차동 신호를 이루는 제1 신호와 제2 신호의 차이를 누적하는 제1 적분기와,
상기 제1 적분기와 종속 접속되어 상기 제1 적분기의 출력을 누적하는 제2 적분기와,
상기 제1 적분기의 누적 결과를 피드 포워드하는 아날로그 멀티플라이어 및
상기 제1 적분기의 누적 결과와, 상기 제2 적분기의 누적 결과 및 피드 포워드된 상기 제1 적분기의 누적 결과의 크기를 상호 비교한 결과를 출력하는 신호 검출 회로.10. The method of claim 9,
The second ADC,
a first integrator for accumulating a difference between a first signal and a second signal constituting the differential signal in an inversion relationship;
a second integrator that is cascaded to the first integrator to accumulate an output of the first integrator;
an analog multiplier for feed-forwarding the cumulative result of the first integrator; and
A signal detection circuit for outputting a result of comparing the magnitudes of the accumulation result of the first integrator, the accumulation result of the second integrator, and the size of the feed-forward accumulation result of the first integrator.
상기 제2 ADC는
상기 신호에 상응하는 디지털 코드를 제공받고,
상기 차동 신호 차이의 크기를 제어하는 차동 신호 크기 차이 조절 회로를 포함하는 신호 검출 회로. 10. The method of claim 9,
The second ADC is
being provided with a digital code corresponding to the signal,
and a differential signal magnitude difference adjusting circuit for controlling the magnitude of the differential signal difference.
차동 신호 크기 차이 제어 회로는
서로 상보적으로 동작하는 제1 커패시터 뱅크(capacitor bank)와 제2 커패시터 뱅크를 포함하고,
상기 제1 커패시터 뱅크 및 상기 제2 커패시터 뱅크는
복수의 커패시터들과,
상기 복수의 커패시터들의 제1 전극에 연결되고, 상기 차동 신호를 이루는 각 신호가 제공되는 제1 노드와
상기 복수의 커패시터들의 제2 전극에 각각 연결되고, 상기 디지털 코드에 상응하여 상기 제2 노드를 접지 전압 또는 부스트 전압에 연결하는 스위치를 포함하는 신호 검출 회로.13. The method of claim 12,
The differential signal magnitude difference control circuit is
Comprising a first capacitor bank and a second capacitor bank operating complementary to each other,
The first capacitor bank and the second capacitor bank are
a plurality of capacitors,
a first node connected to the first electrode of the plurality of capacitors and provided with each signal constituting the differential signal;
and a switch respectively connected to the second electrode of the plurality of capacitors and connecting the second node to a ground voltage or a boost voltage according to the digital code.
상기 로직 회로부는,
상기 레벨 코드와 상기 비교 결과 코드를 제공받고, 상기 비교 결과 코드에 따라 상기 레벨 코드를 두 단계 증가하거나, 한 단계 감소시켜 상기 입력된 신호에 상응하는 디지털 코드를 출력하는 조합 회로(combiner)를 포함하는 신호 검출 회로.10. The method of claim 9,
The logic circuit unit,
and a combination circuit (combiner) that receives the level code and the comparison result code and outputs a digital code corresponding to the input signal by increasing the level code by two steps or decreasing the level code by one step according to the comparison result code signal detection circuit.
상기 로직 회로부는,
상기 조합 회로의 출력을 목적하는 해상도에 맞추어 트렁케이션 하는 비트 버림부(truncation unit)를 더 포함하는 신호 검출 회로.15. The method of claim 14,
The logic circuit unit,
The signal detection circuit further comprising a bit truncation unit for truncating the output of the combination circuit according to a desired resolution.
상기 신호 검출 회로는,
상기 레벨 코드로부터 시간당 상기 입력 신호의 증가량이 기준값보다 큰 경우에 상기 비교기에 제공되는 클록 신호의 주파수를 증가시키는 적응적 클록 생성기를 더 포함하는 신호 검출 회로.
12. The method of claim 11,
The signal detection circuit,
and an adaptive clock generator for increasing the frequency of the clock signal provided to the comparator when the amount of increase of the input signal per time from the level code is greater than a reference value.
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