Recently, closed-loop electrical stimulation has been one of the leading neurotherapeutic treatments for various neural disorders. The closed-loop electrical stimulation simultaneously records neural signals and stimulates the focus of the neural disease. The closed-loop stimulation has higher treatment efficiency and fewer side effects compared to open-loop stimulation; however, stimulation artifacts are applied to the neural signal and increase the requirements of the neural signal recording system design. In order to design the bidirectional neural interface, the neural recording system should meet the requirements of high dynamic range, low power consumption and sufficient bandwidth. There are many limitations that complicate satisfying all of these conditions using conventional neural recording topologies.
In this paper, automatic adaptive gain control with dynamic zoom $\Delta\Sigma$ ADC is proposed to overcome the limitations of the conventional topologies. The automatic adaptive gain controller adaptively changes the gain of an amplifier according to the input signal of the system and controls the over-sampling ratio of the zoom $\Delta\Sigma$ ADC clock. This optimizes SNDR and saves power consumption. The neural recording system was realized using 0.18 $\mu$m CMOS process. The system consumes minimal power (10.9 $\mu$W) and has peak SNDR performance of 77.3 dB, with an expanded input linear range.
최근 뇌신경질환을 치료하는 방법으로 폐루프 전기 자극 치료방법이 큰 각광을 받고 있다. 이러한 폐루프 전기 자극 치료방법은 뇌신경신호 기록과 뇌신경자극을 동시에 수행하는 방법으로 개루프 전기 자극 치료방법과 비교해 치료효과가 높고 부작용이 적다는 장점이 있지만 뇌신경신호 기록 시스템에 자극 신호로 인한 방해요소가 뇌신경신호와 함께 들어오며 뇌신경신호 기록 시스템 디자인의 요구 사항을 증가시키는 단점을 지닌다. 이러한 양방향 전기 자극 치료방법을 수행하기 위한 뇌신경신호 기록 시스템은 넓은 동적 영역, 낮은 전력 소비, 충분한 대역폭의 조건을 만족해야 하는데 기존의 시스템을 통해 이러한 조건을 모두 만족시키기 위해서는 많은 한계점이 존재한다.
본 논문에서는 적응형 이득 조절이 가능한 증폭기를 사용하고 동적 확대형 델타-시그마 아날로그-디지털 컨버터를 활용하여 이러한 한계점을 극복하는 방법을 제안하였다. 입력 신호의 크기에 맞춰 증폭기의 이득을 조절하고 동적 확대형 델타-시그마 아날로그-디지털 컨버터의 클락 주파수를 조절하여 신호대잡음및왜곡비(SNDR)를 최적화하며 전력 소비 또한 줄일 수 있었다. 본 시스템은 0.18 $\mu$m CMOS 공정을 통해 설계되었다. 최저 10.9 $\mu$W 를 소모하고 77.3 dB 의 신호대잡음및왜곡비(SNDR)를 기록하며 넓은 입력 영역을 갖는다.
