The design of a compact current readout circuit for CMOS microelectrode arrays (MEAs).

Working of the brain continues to baffle us even after huge advancements in neuroscience. Although huge strides have been made to understand the brain, but until today, it is unknown how the network of neurons gives rise to consciousness, self-awareness, memories, neuroplasticity, etc. One of the important methods to understand the working of brain is by studying the electrical activity of neurons. Microelectrode arrays (MEAs) are a vital tool to measure and record the electrical activity of neurons individually and at the network level. This thesis aims to design a compact current readout system for Microelectrode Arrays (MEAs) that leverages the advantages of current measurement over traditional voltage measurement approaches. The motivation behind the design of current readout is to detect synaptic signals, which are not detectable by conventional voltage measurement of action potentials. The readout also provides voltage clamp functionality on MEAs similar to the patch-clamps. The main design requirements are low noise (<10pARMS input-referred in the 300-10kHz), low power consumption (<20µW per channel), very large gain (> 564MΩ), and small area. To meet such requirements, two different, low-noise transimpedance amplifiers (TIAs) have been designed, both based on amplifiers with resistive feedback. The first TIA uses the complementary common source (CCS) stage as an amplifier to save the area and power. The second TIA is based on a 5-transistor OTA, which takes more area and has higher power consumption as compared to CCS TIA but rejects common mode disturbances. To mitigate the effects of electrode impedance in the accuracy of the current measurements, a new two-electrode current measurement mode for MEAs is also conceived and designed. Both the TIAs and the two-electrode current measurement setup are integrated into one block to function as the first-stage TIA in the current readout. The simulations estimate the maximum gain of the first stage TIAs as 10MΩ with an input referred noise of around 4pARMS in 300Hz to 10kHz band. The power consumption for each CCS TIA is 4.71µW while for each OTA-based TIA is 8µW for the same input-referred noise. The current readout achieved a maximum gain of 1.28GΩ, power consumption per channel of 16µW for OTA based TIA and 13µW for CCS based TIA, and input referred noise of 4pARMS in 300Hz to 10kHz band.

Il funzionamento del cervello continua a lasciarci perplessi anche dopo gli enormi progressi delle neuroscienze. Sebbene siano stati fatti enormi passi avanti per comprendere il cervello, fino ad oggi non si sa come la rete di neuroni dia origine alla coscienza, all'autocoscienza, ai ricordi, alla neuroplasticità, ecc. Uno dei metodi importanti per comprendere il funzionamento del cervello consiste nello studiare l'attività elettrica dei neuroni. Gli array di microelettrodi (MEA) sono uno strumento fondamentale per misurare e registrare l'attività elettrica dei neuroni individualmente ed a livello di rete. Questa tesi mira a progettare un sistema compatto di lettura della corrente per microelectrode array (MEA) che sfrutti i vantaggi della misurazione della corrente rispetto ai tradizionali approcci di misurazione della tensione. La motivazione alla base della progettazione della lettura della corrente è quella di rilevare i segnali sinaptici, che non sono rilevabili dalla misurazione della tensione convenzionale dei potenziali d'azione. La lettura fornisce anche funzionalità di blocco della tensione su MEA simili ai morsetti patch. I principali requisiti di progettazione sono basso rumore (ingresso <10pARMS riferito a 300-10kHz), basso consumo energetico (<20µW per canale), guadagno molto elevato (> 564MΩ) e area ridotta. Per soddisfare tali requisiti, sono stati progettati due diversi amplificatori a transimpedenza a basso rumore (TIA), entrambi basati su amplificatori con feedback resistivo. Il primo TIA utilizza lo stadio della sorgente comune complementare (CCS) come amplificatore per risparmiare area e potenza. Il secondo TIA si basa su un OTA a 5 transistor, che occupa più area e ha un consumo energetico maggiore rispetto al CCS TIA ma attenua e respinge i disturbi di modo comune. Per mitigare gli effetti dell'impedenza dell'elettrodo nell'accuratezza delle misurazioni di corrente, è stata concepita e progettata anche una nuova modalità di misurazione della corrente a due elettrodi per MEA. Sia i TIA che la configurazione di misurazione della corrente a due elettrodi sono integrati in un blocco che sarà quindi il primo stadio incontrato nella catena di lettura della corrente. Il risultato delle simulazioni effettuate, portano a stimare un guadagno di 10Mohm nello stadio TIA, con un rumore riferito all'ingresso di circa 4pARMS nella banda da 300Hz a 10kHz. Il consumo energetico per ciascun CCS TIA è di 4,71µW mentre per ciascun TIA basato su OTA è di 8 µW per lo stesso rumore riferito all'ingresso. La lettura in corrente ha raggiunto un guadagno massimo di 1,28GΩ, un consumo energetico per canale di 16µW per TIA basato su OTA e 13µW per TIA basato su un CCS e un rumore riferito all'ingresso di 4pARMS nella banda da 300Hz a 10kHz.