[논문 리뷰] A 0.042 mm^2 programmable biphasic stimulator for cochlear implants suitable for a large number of channels

Wannaya Ngamkham, Marijn N. van Dongen외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 29.

Neuroscience and Neural Engineering참고 문헌 20인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 0.042 mm² 크기의 프로그래머블 이상형 자극기로, 이중 루프 음성 피드백과 이중 단계 이진가중 전류감지 DAC를 사용하여 높은 출력 임피던스와 낮은 전력 소비를 달성한다. 이 설계는 직류 차단 커패시터가 없이도 전하 균형 자극을 가능하게 하여 면적을 크게 줄이고, 많은 수의 자극 채널 통합을 가능하게 한다.

ABSTRACT

This paper presents a compact programmable biphasic stimulator for cochlear implants. By employing double-loop negative feedback, the output impedance of the current generator is increased, while maximizing the voltage compliance of the output transistor. To make the stimulator circuit compact, the stimulation current is set by scaling a reference current using a two stage binary-weighted transistor DAC (comprising a 3 bit high-voltage transistor DAC and a 4 bit low-voltage transistor DAC). With this structure the power consumption and the area of the circuit can be minimized. The proposed circuit has been implemented in AMS 0.18um high-voltage CMOS IC technology, using an active chip area of about 0.042mm^2. Measurement results show that proper charge balance of the anodic and cathodic stimulation phases is achieved and a dc blocking capacitor can be omitted. The resulting reduction in the required area makes the proposed system suitable for a large number of channels.

연구 동기 및 목표

• 큰 수의 자극 채널을 지원할 수 있는 작고 낮은 전력 소비의 자극기 개발
• 칩 면적을 최소화하면서도 정밀한 전류 제어와 전하 균형을 유지하는 도전 과제 해결
• 자기장 전하 균형을 보장함으로써 두꺼운 직류 차단 커패시터가 필요 없도록 하는 것
• 혁신적인 전류 생성 및 DAC 아키텍처를 통해 전력 소비와 면적을 감소시키기

제안 방법

• 출력 트랜지스터의 출력 임피던스를 높이고 전압 준수 범위를 극대화하기 위해 이중 루프 음성 피드백을 적용
• 기준 전류를 스케일링하기 위해 3비트 고전압 단계와 4비트 저전압 단계를 사용한 이중 단계 이진가중 전류감지 DAC를 구현
• 최소한의 면적과 전력 소비로 정밀하고 프로그래머블한 자극 전류를 달성하기 위해 전류 생성기 설계
• 활성 면적이 단지 0.042 mm²인 AMS 0.18 µm 고전압 CMOS 공정을 사용하여 회로 제작
• 조직 손상을 방지하고 외부 직류 차단 커패시터가 필요 없도록, 전하 균형을 고려한 이중상 자극을 최적화
• 고채널 수 코ilha르 임플란트 시스템에 적합한 작고 컴act한 프로파일 내에 자극기를 통합

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소한의 면적과 전력 소비로 정밀하고 전하 균형을 가진 이중상 자극을 실현할 수 있는가?
• RQ2 0.05 mm² 이하의 면적에서 출력 임피던스를 극대화하고 전압 준수 범위를 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 프로그래머블 자극기에서 전하 균형을 유지하면서도 직류 차단 커패시터를 제거할 수 있는가?
• RQ4 고전압 CMOS 공정에서 고해상도 전류 제어를 가능하게 하는 DAC 아키텍처는 무엇인가?
• RQ5 단일 채널 자극기를 고채널 수 코ilha르 임플란트 시스템에서 효율적으로 확장할 수 있는가?

주요 결과

• 직류 차단 커패시터 없이도 전하 균형을 가진 이중상 자극을 달성하여 시스템의 복잡성과 면적을 줄였다.
• 활성 칩 면적이 단지 0.042 mm²로, 고채널 수 코ilha르 임플란트 시스템에 매우 적합하다.
• 이중 루프 피드백 구조가 성공적으로 출력 임피던스를 높이고 출력 트랜지스터의 전압 준수 범위를 향상시켰다.
• 이중 단계 이진가중 DAC는 최소한의 면적과 낮은 전력 소비로 정밀한 전류 제어를 가능하게 했다.
• 측정 결과는 자극의 아노드 및 카타르드 단계에서 모두 적절한 전하 균형을 유지하고 있음을 확인했다.
• 설계로 인해 전력 소비와 칩 면적이 감소하여 향후 다채널 코ilha르 임플란트에 대한 확장 가능한 실현 가능성을 확보했다.