Circuito analógico integrado en tecnología CMOS de 180nm para multiplexación de canales de electromiografía de alta densidad
En este proyecto de ingeniería se presenta el diseño de un multiplexor de 8 entradas para electromiografía de alta densidad (HD-EMG). El proceso de diseño incluyó la selección de los diferentes circuitos para implementar la función deseada y el dimensionamiento de sus transistores. Posteriormente, s...
- Autores:
-
Jimenez Mojica, Andres Julian
Navarrete Rojas, Alejandro
- Tipo de recurso:
- https://purl.org/coar/resource_type/c_7a1f
- Fecha de publicación:
- 2024
- Institución:
- Universidad El Bosque
- Repositorio:
- Repositorio U. El Bosque
- Idioma:
- spa
- OAI Identifier:
- oai:repositorio.unbosque.edu.co:20.500.12495/14591
- Acceso en línea:
- https://hdl.handle.net/20.500.12495/14591
- Palabra clave:
- Electromiografía de alta densidad
Multiplexor analógico
CMOS 180 nm
Procesamiento de señales biomédicas
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High-density electromyography
Analog multiplexer
CMOS 180nm
Biomedical signal processing
- Rights
- License
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En este proyecto de ingeniería se presenta el diseño de un multiplexor de 8 entradas para electromiografía de alta densidad (HD-EMG). El proceso de diseño incluyó la selección de los diferentes circuitos para implementar la función deseada y el dimensionamiento de sus transistores. Posteriormente, se realizó el diseño del layout y las verificaciones de las reglas de diseño (DRC) y layout vs esquemático (LVS). El circuito integrado resultante se integrará como una etapa en la segunda versión del chip de adquisición de señales de biopotenciales para HD-EMG, desarrollado por el grupo de investigación Electromagnetismo, Salud y Calidad de Vida de la Universidad El Bosque. La primera versión de este chip encontró un problema durante la implementación, el número limitado de pines disponibles no permitía el funcionamiento completo del sistema al no tener suficientes pines para todas las entradas y salidas, de esta problemática surge la necesidad de agregar una etapa de multiplexación al sistema con el objetivo de disminuir la cantidad de pines necesarios. La nueva versión del chip contará con canales de filtrado y amplificación de biopotenciales, un multiplexor analógico, un ADC y una etapa de control. El multiplexor fue diseñado para manejar 8 señales provenientes de canales de electromiografía, garantizando una pérdida de señal a la salida no superior al 5% de la señal de entrada seleccionada, asumiendo una resistencia de carga de 100 kΩ. Cuenta con un sistema de selección de salida que permite elegir cuál de los 8 canales de multiplexación transmite la señal, utilizando un código binario de 3 bits. El diseño del multiplexor asegura una velocidad de transición entre canales de 125 μs y un tiempo de establecimiento de la señal de máximo 1.25 μs. |
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[1] D. Tkach, H. Huang, and T. A. Kuiken, “Study of stability of time-domain features for electromyographic pattern recognition,” J. Neuroeng. Rehabil., vol. 7, no. 1, 2010, doi: 10.1186/1743-0003-7-21. [2] M. Rojas-Martinez, J. F. Alonso, J. Chaler, and M. A. Mananas, “Analysis of muscle coupling during isokinetic endurance contractions by means of nonlinear prediction,” in Proc. Annual Int. Conf. IEEE Eng. Med. Biol. Soc., EMBS, 2013, doi: 10.1109/EMBC.2013.6610672. [3] Z. Ping, M. M. Lowery, J. P. A. Dewald, and T. A. Kuiken, “Towards improved myoelectric prosthesis control: High density surface EMG recording after targeted muscle reinnervation,” in Annual Int. Conf. IEEE Eng. Med. Biol. Soc., Proc., 2005, doi: 10.1109/iembs.2005.1615355. [4] E. R. Avila, S. E. Williams, and C. Disselhorst-Klug, “Advances in EMG measurement techniques, analysis procedures, and the impact of muscle mechanics on future requirements for the methodology,” J. Biomech., vol. 156, p. 111687, Jul. 2023, doi: 10.1016/J.JBIOMECH.2023.111687. [5] “Trigno Centro | sense the future - Delsys,” [En línea]. Disponible en: https://delsys.com/trigno-centro/. [6] “EEG Amplifier - REFA - TMSi,” [En línea]. Disponible en: https://www.tmsi.com/products/refa/. [7] “Hardware - OT Bioelettronica,” [En línea]. Disponible en: https://otbioelettronica.it/en/hardware/. [8] M. A. Mondragón and S. S. Saldaña, “Análisis en el contexto colombiano de la política pública en discapacidad y la salud,” Trabajo de monografía, Universidad CES-UAM, Facultad de Fisioterapia, Medellín, Colombia, 2013. [9] “Diseño de una herramienta de visualización basada en HD-EMG para monitorear los patrones de la activación espacial en los músculos maxilofaciales,” Enhanced Reader. [En línea]. Disponible en: https://enhancedreader.com. [10] L. M. P. Salinas, “Método para la identificación de dirección de movimiento a partir de patrones espaciales en señales de electromiografía de alta densidad (HD-EMG) en contracciones voluntarias dinámicas, aplicado a la articulación del hombro,” Universidad El Bosque, Bogotá, Colombia, 2021. [11] J. Ordoñez Romo, “Sistema electrónico de prótesis mecatrónica para miembro superior amputado,” Repositorio Universidad Mariana, Jun. 2024, [En línea]. Disponible en: https://repositorio.umariana.edu.co/handle/20.500.14112/28336, consultado el 4-nov-2024. [12] “Multiplexación,” Universidad del Azuay, [En línea]. Disponible en: https://www.uazuay.edu.ec/sistemas/teleprocesos/multiplexacion, consultado el 27-jun-2024. [13] “Analogue Switches (Transmission Gates) | mbedded. ninja,” [En línea]. Disponible en: https://blog.mbedded.ninja/electronics/components/analogue-switches-transmission-gates/, consultado el 1-nov-2024. [14] “What Are Transmission Gates Used for?”, [En línea]. Disponible en: http://www.maximintegrated.com/legal, consultado el 1-nov-2024. [15] H. P. D., R. K. P., R. V., and R. K. S., “Design of Ultra Low Power 8-Channel Analog Multiplexer Using Dynamic Threshold for Biosignals,” Int. J. VLSI Design & Commun. Syst., vol. 4, no. 5, pp. 97–106, Oct. 2013, doi: 10.5121/VLSIC.2013.4508. [16] U. G. Chary, R. Balabrahmam, K. Sateesh, and A. Kumar, “Design of low voltage low power CMOS analog multiplexer for bio-medical applications,” IJEAT, [En línea]. Disponible en: https://www.ijeat.org/wp-content/uploads/papers/v3i3/C2525023314.pdf, consultado el 8-nov-2024. [17] H. H. Thai, C. K. Pham, and D. H. Le, “Design of a Low-Power and Low-Area 8-Bit Flash ADC Using a Double-Tail Comparator on 180 nm CMOS Process,” Sensors, vol. 23, no. 1, Jan. 2023, doi: 10.3390/S23010076. [18] A. Hastings, The Art of Analog Layout: International Edition, 2nd ed. Upper Saddle River, NJ, USA: Pearson, 2006. [19] C. M. Belalcázar Sandoval and Z. V. Rengifo Varila, “Clasificación de señales electromiográficas (EMG) para una prótesis de mano,” 2007. |
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El circuito integrado resultante se integrará como una etapa en la segunda versión del chip de adquisición de señales de biopotenciales para HD-EMG, desarrollado por el grupo de investigación Electromagnetismo, Salud y Calidad de Vida de la Universidad El Bosque. La primera versión de este chip encontró un problema durante la implementación, el número limitado de pines disponibles no permitía el funcionamiento completo del sistema al no tener suficientes pines para todas las entradas y salidas, de esta problemática surge la necesidad de agregar una etapa de multiplexación al sistema con el objetivo de disminuir la cantidad de pines necesarios. La nueva versión del chip contará con canales de filtrado y amplificación de biopotenciales, un multiplexor analógico, un ADC y una etapa de control. El multiplexor fue diseñado para manejar 8 señales provenientes de canales de electromiografía, garantizando una pérdida de señal a la salida no superior al 5% de la señal de entrada seleccionada, asumiendo una resistencia de carga de 100 kΩ. Cuenta con un sistema de selección de salida que permite elegir cuál de los 8 canales de multiplexación transmite la señal, utilizando un código binario de 3 bits. El diseño del multiplexor asegura una velocidad de transición entre canales de 125 μs y un tiempo de establecimiento de la señal de máximo 1.25 μs.Ingeniero ElectrónicoPregradoThis engineering project presents the design of an 8-input multiplexer for high-density electromyography (HD-EMG). The design process included the selection of the different circuits to implement the desired function and the sizing of its transistors. Subsequently, the layout design and the verifications of the design rules (DRC) and layout vs schematic (LVS) were carried out. The resulting integrated circuit will be integrated as a stage in the second version of the biopotential signal acquisition chip for HD-EMG, developed by the Electromagnetism, Health and Quality of Life research group of the Universidad El Bosque. The first version of this chip encountered a problem during implementation, the limited number of available pins did not allow the complete operation of the system by not having enough pins for all the inputs and outputs, from this problem arises the need to add a multiplexing stage to the system in order to reduce the number of pins needed. The new version of the chip will have biopotential filtering and amplification channels, an analog multiplexer, an ADC and a control stage. The multiplexer was designed to handle 8 signals from electromyography channels, ensuring a signal loss at the output of no more than 5% of the selected input signal, assuming a load resistance of 100 kΩ. It has an output selection system that allows choosing which of the 8 multiplexing channels transmits the signal, using a 3-bit binary code. The design of the multiplexer ensures a transition speed between channels of 125 μs and a signal settling time of maximum 1.25 μs.application/pdfAttribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/Acceso abiertohttps://purl.org/coar/access_right/c_abf2http://purl.org/coar/access_right/c_abf2Electromiografía de alta densidadMultiplexor analógicoCMOS 180 nmProcesamiento de señales biomédicas621.381High-density electromyographyAnalog multiplexerCMOS 180nmBiomedical signal processingCircuito analógico integrado en tecnología CMOS de 180nm para multiplexación de canales de electromiografía de alta densidadIntegrated analog circuit in 180nm CMOS technology for multiplexing high-density electromyography channelsIngeniería ElectrónicaUniversidad El BosqueFacultad de IngenieríaTesis/Trabajo de grado - Monografía - Pregradohttps://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/bachelorThesishttps://purl.org/coar/version/c_ab4af688f83e57aa[1] D. Tkach, H. Huang, and T. A. Kuiken, “Study of stability of time-domain features for electromyographic pattern recognition,” J. Neuroeng. Rehabil., vol. 7, no. 1, 2010, doi: 10.1186/1743-0003-7-21.[2] M. Rojas-Martinez, J. F. Alonso, J. Chaler, and M. A. Mananas, “Analysis of muscle coupling during isokinetic endurance contractions by means of nonlinear prediction,” in Proc. Annual Int. Conf. IEEE Eng. Med. Biol. Soc., EMBS, 2013, doi: 10.1109/EMBC.2013.6610672.[3] Z. Ping, M. M. Lowery, J. P. A. Dewald, and T. A. Kuiken, “Towards improved myoelectric prosthesis control: High density surface EMG recording after targeted muscle reinnervation,” in Annual Int. Conf. IEEE Eng. Med. Biol. Soc., Proc., 2005, doi: 10.1109/iembs.2005.1615355.[4] E. R. Avila, S. E. Williams, and C. Disselhorst-Klug, “Advances in EMG measurement techniques, analysis procedures, and the impact of muscle mechanics on future requirements for the methodology,” J. Biomech., vol. 156, p. 111687, Jul. 2023, doi: 10.1016/J.JBIOMECH.2023.111687.[5] “Trigno Centro | sense the future - Delsys,” [En línea]. Disponible en: https://delsys.com/trigno-centro/.[6] “EEG Amplifier - REFA - TMSi,” [En línea]. Disponible en: https://www.tmsi.com/products/refa/.[7] “Hardware - OT Bioelettronica,” [En línea]. Disponible en: https://otbioelettronica.it/en/hardware/.[8] M. A. Mondragón and S. S. Saldaña, “Análisis en el contexto colombiano de la política pública en discapacidad y la salud,” Trabajo de monografía, Universidad CES-UAM, Facultad de Fisioterapia, Medellín, Colombia, 2013.[9] “Diseño de una herramienta de visualización basada en HD-EMG para monitorear los patrones de la activación espacial en los músculos maxilofaciales,” Enhanced Reader. [En línea]. Disponible en: https://enhancedreader.com.[10] L. M. P. 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