Biopotential Readout Circuits for Portable Acquisition Systems: Biopotential Readout Circuits for Portable Acquisition Systems.jpg

Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 AmbulatoryHealthCareSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 BodyAreaNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Scope of the Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Introduction to Biopotential Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Introduction to Biopotential Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Introduction to Biopotential Electrodes . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3.1 Equivalent Circuit Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.2 Types of Biopotential Electrodes . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4 Introduction to Biopotential Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4.1 Interference Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4.2 Noise-Efficiency Factor (NEF) of Biopotential Amplifiers . 11
2.4.3 State-of-the-Art in Instrumentation Amplifier Design . . . 12
2.5 Introduction to Chopper Modulation Technique . . . . . . . . . . . 13
2.5.1 Noise Analysis of Chopper Modulation Technique . . . . . 14
2.5.2 Charge Injection and Residual Offset of Chopper
Modulated Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5.3 Signal Distortion in Chopper Modulated Amplifiers . . . . 17
2.5.4 CMRR of the Chopper Modulated Amplifiers . . . . . . . 18
2.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 24-Channel EEG Readout Front-End ASIC . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 ASICArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3 Current Balancing IA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.1 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.2 Measurement of Performance . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4 CMRR Model for Biopotential Instrumentation Amplifiers . . . . . 25
3.4.1 SystematicCMRR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4.2 CMRR Limit Due to Differential DC Electrode Offset . . . 28
3.4.3 Verification of the CMRR Model . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5 ProgrammableGainStage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.5.1 Finite-Gain Compensated SC Amplifier . . . . . . . . . . . 30
3.5.2 ProgrammableGainStage Implementation . . . . . . . . . 32
3.6 TestResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
ix
x Contents
4 Biopotential Readout Front-End ASICs . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2 AC Coupled Chopper Modulated IA (ACCIA) . . . . . . . . . . . 40
4.2.1 Architectureof theACCIA . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2.2 Architectureof theCBIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.2.3 Power-Noise Performance of the ACCIA . . . . . . . . . . 48
4.3 Chopping Spike Filter (CSF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.4 Low-PowerProgrammableGainStage . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.5 Single-Channel ExG Readout Front-End . . . . . . . . . . . . . . 53
4.5.1 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.5.2 Measurement of Performance . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.5.3 BiologicalTestResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.6 Eight-Channel EEG Readout Front-End . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.6.1 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.6.2 Measurement of Performance . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.6.3 BiologicalTestResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.7 ComparisonwiththeState-of-the-Art . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5 A Complete Biopotential Acquisition ASIC . . . . . . . . . . . . . . 79
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2 ASICArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3 Bias Generator Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.4 Class-ABBufferArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.5 ACCIAwithCoarse-FineServo-Loop . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.5.1 Structureof theACCIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.5.2 Coarse Transconductance (CGM) Stage . . . . . . . . . . . 90
5.5.3 Fine Transconductance (FGM) Stage . . . . . . . . . . . . 94
5.5.4 IntegratorStage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.5.5 Current Balancing IA (CBIA) Architecture . . . . . . . . . 95
5.5.6 GainStage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.5.7 Implementationof theACCIA . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.5.8 FastStart-Upof theACCIA . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.5.9 Power-Noise Performance of the ACCIA . . . . . . . . . . 100
5.5.10 Measurement of Performance . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.5.11 ComparisonwithState-of-the-Art . . . . . . . . . . . . . . 105
5.6 Chopping Spike Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.7 Low-PowerProgrammableGainStage . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.8 Readout Front-End Channel Test Results . . . . . . . . . . . . . . 109
5.9 Square Wave Relaxation Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.10 Analog-to-DigitalConverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.10.1 BasicOperationPrinciple . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.10.2 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.10.3 Capacitive DAC Implementation . . . . . . . . . . . . . . 117
5.10.4 Low-OffsetComparator Implementation . . . . . . . . . . 119
Contents xi
5.10.5 TestResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.11 Impedance Measurement and Calibration Modes . . . . . . . . . . 125
5.12 BiologicalTestResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.13 Summary of the Biopotential Acquisition ASIC . . . . . . . . . . 129
5.14 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6 Wireless Biopotential Acquisition Systems . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.2 A Wireless VEMP Acquisition System . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.3 A Wireless Two-Channel ExG Acquisition System . . . . . . . . . 137
6.4 A 1 cm3 Wireless Eight-Channel EEG Acquisition System . . . . . 141
6.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.1 Achievements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.2 Suggestions for Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163