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CMOS Transimpedance Amplifiers for Biomedical Applications: A Comparative Study
IEEE Circuits and Systems Magazine ( IF 6.9 ) Pub Date : 2020-01-01 , DOI: 10.1109/mcas.2019.2961724
Ahmed Atef , Mohamed Atef , Elsayed Esam M. Khaled , Mohamed Abbas

Recently, different medical devices have emerged and utilized in a numerous health care fields such as pulse oximetry, cuffless blood pressure using Photoplethysmogram (PPG), noninvasive blood glucose measuring, and Near Infrared Spectroscopy (NIRS). Those devices are very similar in their analog front end circuit which is a transimpedance amplifier (TIA). Many different TIA topologies have appeared in different optoelectronic fields which make the choice of the best TIA topology for a certain application a challenging task. In this regard, this paper presents a comparison between state of the art, previously published TIA topologies. All topologies are simulated at four different simulation cases to account for various design scenarios. The topologies are simulated with 10 pF photodiode (PD) input capacitance and 5 KHz bandwidth (BW) while optimizing for two different targets; one time for minimum input noise and the other for minimum power consumption. Moreover, the same procedures are performed with 2 pF PD and 100 MHz BW to account for higher BW demanding applications. The studied topologies are compared according to their transimpedance gain, power consumption, total input referred noise current, and dynamic range (DR) to expose their relative merits. A noise and a transimpedance gain mathematical models are also presented for each topology to assist the comparison. Recommendations to designers on which TIA to select in a certain application are concluded according to the obtained results.

中文翻译:

用于生物医学应用的 CMOS 跨阻放大器:一项比较研究

最近,不同的医疗设备已经出现并应用于众多医疗保健领域,例如脉搏血氧饱和度、使用光电容积描记图 (PPG) 的无袖血压测量、无创血糖测量和近红外光谱 (NIRS)。这些设备的模拟前端电路非常相似,即跨阻放大器 (TIA)。许多不同的 TIA 拓扑出现在不同的光电领域,这使得为特定应用选择最佳 TIA 拓扑成为一项具有挑战性的任务。在这方面,本文对现有技术与之前发布的 TIA 拓扑进行了比较。所有拓扑都在四种不同的仿真案例中进行仿真,以适应各种设计场景。拓扑采用 10 pF 光电二极管 (PD) 输入电容和 5 KHz 带宽 (BW) 进行仿真,同时针对两个不同的目标进行优化;一次用于最小输入噪声,另一次用于最小功耗。此外,使用 2 pF PD 和 100 MHz BW 执行相同的程序以解决更高 BW 要求的应用。根据跨阻抗增益、功耗、总输入参考噪声电流和动态范围 (DR) 对所研究的拓扑进行比较,以揭示它们的相对优点。还为每个拓扑提供了噪声和跨阻增益数学模型以帮助比较。根据获得的结果,对设计人员在特定应用中选择哪种 TIA 提出建议。一次用于最小输入噪声,另一次用于最小功耗。此外,使用 2 pF PD 和 100 MHz BW 执行相同的程序以解决更高 BW 要求的应用。根据跨阻抗增益、功耗、总输入参考噪声电流和动态范围 (DR) 对所研究的拓扑进行比较,以揭示它们的相对优点。还为每个拓扑提供了噪声和跨阻增益数学模型以帮助比较。根据获得的结果,对设计人员在特定应用中选择哪种 TIA 提出建议。一次用于最小输入噪声,另一次用于最小功耗。此外,使用 2 pF PD 和 100 MHz BW 执行相同的程序以解决更高 BW 要求的应用。根据跨阻抗增益、功耗、总输入参考噪声电流和动态范围 (DR) 对所研究的拓扑进行比较,以揭示它们的相对优点。还为每个拓扑提供了噪声和跨阻增益数学模型以帮助比较。根据获得的结果,对设计人员在特定应用中选择哪种 TIA 提出建议。功耗、总输入参考噪声电流和动态范围 (DR) 来展示它们的相对优点。还为每个拓扑提供了噪声和跨阻增益数学模型以帮助比较。根据获得的结果,对设计人员在特定应用中选择哪种 TIA 提出建议。功耗、总输入参考噪声电流和动态范围 (DR) 来展示它们的相对优点。还为每个拓扑提供了噪声和跨阻增益数学模型以帮助比较。根据获得的结果,对设计人员在特定应用中选择哪种 TIA 提出建议。
更新日期:2020-01-01
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