Integrated wideband transmitter for neural recording applications

Abstract

W artykule przedstawiono projekt scalonego szerokopasmowego nadajnika dla systemu bezprzewodowej rejestracji potencjałów neuronowych. Prezentowany nadajnik został zaimplementowany w technologii CMOS 180 nm i pracuje w paśmie 4 GHz z modulacją OOK. Maksymalna oferowana szybkość transmisji sięga 80 Mb/s. Średni pobór mocy, przy szybkości transmisji 20 Mbit/s i zasięgu 4 m wynosi 1,8 mW. Struktura nadajnika zajmuje powierzchnie 0,4 x 0,75 mm2, na której oprócz elementów aktywnych mieszczą się cewki obwodu rezonansowego generatora LC i wzmacniacza RF. Napięcie zasilania układu wynosi od 1,5 V do 1,8 V, co pozwala na zasilanie nadajnika z jednej baterii pastylkowej. Układ sterujący nadajnika zaimplementowano w ultra niskomocowym układzie FPGA firmy Silicon Blue. Zawiera on kodera FEC, moduł przeplotu danych oraz kontroli mocy transmisji.The paper presents a low power integrated wideband telemetry system for neural recording. The presented system operates in 4 GHz band. It makes use of OOK modulation and offers very high data rate, up to 80 Mbits/s. The proposed system (Fig. 1) consists of an FPGA based controller and an an RF transmitter. The controller implements an FEC encoder, a bit interleaver, a scrambler and a pulse generator driving the RF transmitter. The FEC encoder is based on a bit-serial (233, 255) Reed-Solomon encoder. The scrambler is responsible for producing appropriate numbers of transitions in the transmitted signal to facilitate bit syn-chronization in the receiver. The RF transmitter was implemented in 180 nm CMOS process with an area of 0.4 x 0.75 mm2. It consumes 1.8 mW operating with the 20 Mbits/s data rate and the transmission range set to 4 m. All of the inductors were integrated on the transmit-ter silicon die, so the only external components are power supply bypass capacitors. For the experimental tests of the presented system a dedicated ultra wide-band antenna was designed on a 0.813 mm microwave substrate (Fig. 7). The radiating element (top layer) has dimensions of roughly 16 x 15 mm and the ground plane dimensions are 16 x 12 mm (bottom layer). The antenna features a very wide impedance band-width of 2.45 GHz (reflection coefficient below -10 dB) and operates in the frequency range 3.30 to 5.75 GHz. The antenna gain at the intended center frequency of the system, i.e. 4 GHz, is 2 dBi and VSWR is below 1.2. The accompa-nying receiver makes use of an AD8318 logarithmic detector