Design of an ultra low voltage analog front end for an electroencephalography system

In this dissertation a full custom Analog Front End (AFE) integrated circuit (IC) for an Electroencephalography system (EEG) is designed and implemented. The AFE consists of an ultra-low voltage amplifier and a Continuous-Time Σ∆ Analog-to-Digital converter (CT Σ∆ ADC). The AFE was implemented in 0.35 um CMOS process technology, and it works with a supply voltage of 0.5V.In order to provide a true low voltage operation, all the transistors are working in the subthreshold region. The proposed preamplifier's topology consists of an input stage based on a folded cascoded amplifier and an output stage based on a current source amplifier.The CT Σ∆ Modulator was selected to provide a very low power dissipation. The decimation stage is based in a Finite Impulse Response (FIR) filter. The Modulator works with a supply voltage of 0.5V while the FIR stage, which was not optimized, works with a 1V power supply voltage. Testing results show that the OTA has an open loop gain of 38:8dB and 18.6 dB in its 1st and 2nd stages, respectively. Also, the OTA device has bandwidths in its 1st and2nd stages of 10.23KHz and 6.45KHz, respectively. Other obtained OTA character-istics are: output noise of 1:4mV rms@100Hz and power dissipation of 1,89uW. The ADC shows the following characteristics: SNR of 94.2dB, ENOB of 15:35bits, INL of +0.34/-2.3 LSB, DNL +.783/-.62 LSB without missing single code. The modulator dissipates only 7uW. The proposed AFE has one of the best performance among allthe devices reviewed in today's literature. The AFE's performance make it suitable for biomedical low-power dissipation applications such as portable EEG devices.In addition to the CT-Σ∆ modulator developed in 0.35um CMOS technology, an alternative Modulator was designed using a 0.13um CMOS technology, based on the Discrete Time counterpart. The simulation shows a SNR of 92dB and ENOB of 14.99dB for an oversampling rate (OSR) of 150.Ce travail de thèse présente la conception et le développement d' un circuit intégré frontal analogique (AFE) pour un système d' électroencéphalographie portable. L' AFE est constitué d'un un amplificateur ultra-basse tension et d'un Convertisseur Analogique Numérique (ADC) Sigma Delta en Temps Continu (CT). Ce système AFE a été conçu dans une technologie CMOS 0,35 mm. Ce circuit de très basse consommation est alimenté avec une tension de seulement 0,5V.Afin de permettre un véritable fonctionnement en très basse tension, tous les transistors fonctionnent dans la région de faible inversion. Le pré-amplificateur se compose d'un étage d'entrée basé sur une architecture de type cascode replié (OTA-FC) et un d'un étage de sortie basé sur un amplificateur de type “Current Source”.Pour le convertisseur analogique numérique, une architecture de type Sigma-Delta, composée d'un modulateur à temps continu (CT-Sigma Delta), a été choisi afin d'avoir une consommation de puissance très faible. Le filtre de décimation du convertisseur est basé sur une architecture de filtre à réponse impulsionnelle finie (FIR). Le Modulateur est alimenté avec une tension de seulement 0,5V alors que le filtre numérique nécessite une tension de 1V.Les résultats de test montrent que l'OTA a un gain de boucle ouverte de 38,8dB pour le premier étage et de 18,6dB pour l'étage de sortie. Cet OTA a une largeurs de bande pour le premier étage et le second étage de 10,23KHz et 6,45KHz, respectivement. Les autres caractéristiques obtenues pour l'OTA sont: bruit de sortie de 1,4mVrms@100Hz et consommation de 1,89mW. L' ADC quant à affiche les caractéristiques suivantes : un SNR de 94,2dB, un ENOB de 15,35bits, une INL de +0,34/-2,3 LSB, et une DNL +0,783/-0,62LSB avec aucun code manquant. Le Modulateur a une consommation de puissance de 7mW. L' AFE proposé proposé dans ce travail possède des caractéristiques qui le place parmi les plus performants comparé aux autres réalisation décrites dans la littérature. Les caractéristiques obtenues pour le circuit permettent d'envisager sont utilisation pour des applications biomédicales de très basse consommation telles que les dispositifs portatifs d'électro-encéphalographie (EEG)En plus du modulateur de CT-Σ∆ développé en technologies CMOS 0,35um, un autre modulateur a été conçu utilisant des technologies CMOS 0,13µm, basées sur le temps discret. La simulation affiche un SNR de 92dB et un ENOB de 14.99dB pour une fréquence de sur-échantillonnage (OSR) de 150