Recently, various biomedical research has been widely conducted. A low-power, high-performance analog front end is required in most biomedical applications. We present three analog front-end types by using noise-shaping SAR (NS-SAR) ADC. Each analog front end has been applied to an ultrasound capsule endoscope, a neural recording system, and a bio-signal acquisition system. First, ultrasound imaging is widely used for diagnosing patients because it can obtain biocompatible images at a low cost. Due to the miniaturization of ultrasound transducers, they have recently been applied to various fields, such as catheters and endoscopes. Recently, research on ultrasound capsule endoscopy has gotten attention. Unlike conventional video images, ultrasound capsule endoscopy has the advantage of obtaining images of the subsurface tissues and being easy for patients to swallow because of its small size. This paper presents a 20 MHz receiver circuit and on-chip transmitter for an ultrasound capsule endoscopy. The integrated circuit was fabricated on a 0.18 μm BCD process and consumed 2.3 mW in the receiver. Electrical stimulation of the brain has been widely used to treat patients with psychological disorders such as Parkinson’s disease, epilepsy, essential tremor, and depression. For more effective treatments, closed loop neuromodulation has been developed to operate with feedback information obtained by monitoring associated neural signals. However, in this closed-loop system, when the recording and stimulation regions are close to each other, incurring undesired artifacts in the recording signals. In order to obtain brain neural signals even with disturbances caused by stimulation artifacts, low power and high dynamic range NS-SAR ADC and low amplification analog front end are combined. The integrated circuit was fabricated on a 0.18 μm rf process and achieved the maximum FoM on a 0.18 μm process. Finally, research on systems that record other bio-signals is being conducted in addition to brain neural signals. As the interest in health care using bio-signals increases and the wearable device market grows, bio-signal recording technology is applied to various wearable devices. In this work, we propose a noise-shaping SAR ADC based on a delta-sigma modulator (DSM) structure that has a high input impedance while reducing circuit noise and broadening the input signal range compared to previous works. In addition, we proposed a new truncation error-shaping technique that utilizes the NS-SAR ADC. The integrated circuit was fabricated on a 65 nm process and achieved maximum input signal range and SNDR results. The input impedance was amplified without using an additional amplifier.
최근에는 다양한 바이오 메디컬 시스템에 대한 연구가 진행되고 있습니다. 일반적으로 바이오 메디컬 신호들의 기록하기 위해서는 저전력의 높은 성능의 아날로그 프론트 엔드가 필요하게 됩니다. 본 연구에서는 노이즈 쉐이핑 아날로그-디지털 변환기를 활용하여 3가지의 아날로그 프론트 엔드 타입을 제시합니다. 각각의 아날로그 프론트 엔드는 초음파 캡슐 내시경, 뇌 신경 신호 기록 시스템, 바이오 신호 획득 시스템에 적용되었습니다. 먼저, 초음파는 의료 영상기기 분야에 적은 비용으로 생체 적합한 영상을 얻을 수 있기에 각광받고 있습니다. 초음파 센서의 소형화에 따라 최근에는 카테터, 내시경 등의 다양한 분야에 적용되고있습니다. 최근에는 초음파 캡슐 내시경에 연구가 주목받고 있습니다. 초음파 내시경은 기존의 비디오 이미지와 다르게 내피의 이미지를 얻을 수 있다는 점과 크기가 작기 때문에 환자가 삼키기 쉬운 장점이 있습니다. 본 논문에서는 초음파 캡슐 내시경을 위한 20 MHz의 수신기 집적회로와 전체 칩으로 구현된발신기 집적회로 제안합니다. 해당 집적회로는 0.18 μm BCD 공정으로 제작되었으며, 수신부는 2.3 mW 의 파워를 소모하였습니다. 다음으로 생체 신호를 기록하는 시스템에 대해 연구를 진행하였습니다. 뇌에 전기적 자극을 주는 stimulation은 파킨슨병, 간질, 떨림 및 우울증 등에 치료효과가 있습니다. 자극을 주는 것 뿐만 아니라 자극을 받은 뇌에서 신호를 읽어 들여 이를 기반으로 다시 자극을 주면 치료 효과가 더 상승하게 됩니다. 이러한 폐루프 구조에서 전기적 펄스 신호에 의한 방해요소가 발생합니다. 따라서 전기적 펄스 신호에 의한 방해요소에도 뇌 신경 신호를 제대로 기록하기 위해서 저전력의 높은 동적 영역을 가지는 노이즈 쉐이핑 아날로그-디지털 컨버터를 낮은 증폭을 가지는 아날로그 프론트 엔드에 접목하여 집적회로를 제작하였습니다. 해당 집적회로는 0.18 μm rf 공정으로 제작되었으며, 0.18 μm 공정에서 최대 FoM을 달성 하였습니다. 마지막으로 뇌 신경 신호 외의 생체 신호를 기록하는 시스템에 대해 연구를 진행하였습니다. 생체 신호들을 이용한 헬스 케어의 관심도가 높아지고 있고, 웨어러블 기기의 시장이 커짐에 따라서 생체 신호 기록 기술이 다양한 웨어러블 기기에도 적용되고 있습니다. 본 연구에서는 기존의 연구보다 더욱 회로 노이즈를 줄이고 입력 신호 범위를 넓히면서 높은 입력 임피던스를 가지는 노이즈 쉐이핑 아날로그-디지털 컨버터 기반의 델타 시그마 모듈레이터 구조를 제안합니다. 또한 트렁케이션 에러를 노이즈 쉐이핑 아날 로그-디지털 컨버터를 활용하여 해결하는 새로운 기법을 제안합니다. 해당 집적회로는 65 nm 공정으로 제작되었으며, 최대 입력 신호 범위와 신호 대비 노이즈 비율 결과를 얻었습니다. 또한 별도의 증폭기를 사용하지 않고 입력 임피던스를 증폭하였습니다.
