A Wide Input Range, Low-noise Neural Recording Amplifier IC With Adaptive Gain Control and Common-mode Cancellation Loop

Q: 이 논문에서 정의한 적응형 이득 제어란 무엇인가?

적응형 이득 제어는 신경 기록 증폭기가 평상시에는 최대 이득을 유지하다가, 큰 차동 아티팩트가 유입되어 출력 포화가 예상될 때 자동으로 이득을 낮춰 동적 범위를 확장하는 기술이다. 이를 통해 증폭기 포화를 방지하고, 아티팩트가 사라지면 원래 이득으로 복귀하여 신경 신호 기록의 정확성을 유지한다.

Q: 제안된 신경 기록 증폭기는 자극 아티팩트에 어떻게 대응하는가?

연구 결과, 제안된 증폭기는 차동 모드 아티팩트 발생 시 자동으로 이득을 낮춰 포화를 방지하고, 공통 모드 아티팩트 발생 시 피드백 기반 공통 모드 제거 루프(CMCL)를 활성화하여 공통 모드 성분을 제거한다. 이를 통해 넓은 입력 범위와 낮은 노이즈 성능을 동시에 달성한다.

Boseong Park; Soonseong Hong; Hyouk-Kyu Cha

doi:10.5573/JSTS.2025.25.4.397

학술저널

저자정보: Boseong Park (Seoul National University of Science and Technology) Soonseong Hong (Seoul National University of Science and Technology) Hyouk-Kyu Cha (Seoul National University of Science and Technology)

저널정보: 대한전자공학회 JOURNAL OF SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY AND SCIENCE Journal of Semiconductor Technology and Science Vol.25 No.4

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This paper proposes a wide input range, low-noise neural recording amplifier IC with adaptive gain control and a feedback-based common-mode cancellation loop (CMCL) for bidirectional neuromodulation applications. The proposed amplifier operates with maximum gain and excellent noise performance under normal conditions, while automatically reducing its gain to extend the dynamic range (DR) and activating the CMCL in response to differential-mode (DM) and common-mode (CM) stimulation artifacts, respectively, thereby adjusting the DM gain to prevent amplifier saturation and removing the CM component. The total harmonic distortion (THD) of the circuit output is 0.822% with a 77 mVPP DM input at a gain of 17.72 dB and 0.418% in the presence of a 1 VPP CM artifact. Under ideal conditions, the amplifier maintains a gain of 40 dB with an input-referred noise (IRN) performance of 2.32 µVrms over a bandwidth of 1 Hz to 10 kHz. The CMCL dynamically toggles on or off depending on the presence of artifacts to balance noise performance and artifact tolerance. The proposed amplifier is designed using 180 nm CMOS process, consumes 2 µW at 1-V supply, and occupies 0.36 mm² of die area.

#Neural recording IC #adaptive gain control #common-mode cancellation loop #low-noise amplifier #artifact tolerance

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