| 研究課題/領域番号 |
26420318
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| 研究機関 | 慶應義塾大学 |
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研究代表者 |
中野 誠彦 慶應義塾大学, 理工学部, 准教授 (40286638)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 電子デバイス・機器 / LSI設計 / ブレインマシンインタフェース / パッチクランプ |
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| 研究実績の概要 |
神経細胞と直接情報伝達を行うためのインタフェースを構成するLSI設計及び細作を行うことを目的に、平成２６年度は、設計仕様を決めるためのテスト回路の試作評価を行った。特に本システムにおいては電流電圧変換器の性能が鍵となる。予備実験の考察により信号帯域を確保するため増幅器の帯域を10kHz 以上とし、帯域内雑音については目標として1pArms を目指して設計を行った。試作は0.18μmCMOSプロセスを用いて行い、３種類のフィードバック方式の電流電圧変換器を設計した。
第一の抵抗フィードバック方式については、システム上必要な50MΩの抵抗素子をオンチップでつくることは専有面積の増大となり基板を経由するフィードバックにより増幅回路が発振を起こすことがわかった。フィードバック容量を大きくすることで発振を抑えることは可能だが信号帯域が確保できない。そこで、ウェル部分に駆動回路を設けて発振を抑えつつ帯域をのばすことに成功した。
第二に容量フィードバック方式を検討した。この方式ではオンチップ抵抗の総量を抑えつつゲインを確保することができるため、低面積で回路が実現可能である。回路単体で評価した結果抵抗フィードバック方式にくらべて雑音レベルを下げることができた。しかしながら、入力端子に寄生する容量に雑音レベルが依存し実験環境によって異なることと、リセット動作が必要となることが課題となる。
第三の方式としてOTAを用いたフィードバック方式を検討した。この方式ではOTAを用いて擬似的な抵抗の振る舞いをさせている。実効的な抵抗値はバイアスによって制御可能であり高ゲインが実現可能で実測においても約0.9pArms を達成した。しかしながらトレードオフとして入力範囲を狭める特徴がある。
以上の試作検討により各方式にはトレードオフが存在することが明らかとなり、最適な方式の選択に必要な知見を得た。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本年度についてはほぼ計画通りに進行していると考える。計画通り複数回のLSIチップ試作を行い、特に電流電圧変換器について複数方式の試作を行い評価することができた。当初標準的な回路構成である抵抗フィードバック方式についての試作結果では増幅回路に発振がみられたため、複数の回路構成を検討するきっかけとなった。オンチップ抵抗方式での発振を止めることが困難であったが、本年度研究中に発振を抑える駆動回路方式を提案することができ実際に発振を抑えつつ増幅帯域を確保できたことは当初計画していた以上の成果が得られたと考えている。また、もう一つの要求仕様としての低雑音化については、OTAを用いたフィードバック方式を提案することで実現することができた。この方式についても新たな提案となっており今後本方式における結果については学会発表予定である。
以上の試作結果により神経細胞とのインタフェースを行うための鍵となる電流電圧変換回路について重要な知見を得ることができた。ただし、各方式には設計占有面積、ノイズ、入力範囲の各項目においてトレードオフがある。実際の神経細胞との結合においてどの方式が最適であるかは神経細胞とのインタフェースのとりかたによって異なってくる。予備実験において行った平面膜法の評価のみでは確定的ではないため、より詳細な検討が引き続き必要である。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究推進方法については、基本的には実施計画通りに進めていく。従って、平成２７年度については電圧固定回路の設計提案を行い混載回路のテストを行う予定である。また、帯域雑音の指標では最も成績の良かったOTAフィードバック方式の弱点である入力範囲の問題があるため、この課題を克服するための回路提案を行う予定である。
また最終年度に試作する多チャンネルシステム実現に向けて平成２７年度は複数チャネルを搭載した試作を行い、チャネル間クロストークの評価と複数チャネルの制御回路の設計試作を行う予定である。特に抵抗フィードバック方式ではチップ上に大面積の抵抗が占めるため、基板を介したチャネル間の結合が提案した駆動回路によって抑えることができるかを評価したい。
多チャンネルシステム実現に向けてはOTA方式のゲイン調整用バイアス電圧の制御と膜電位を固定するための電圧回路の制御が必要となる。そのためのデジタルアナログ変換回路の実装及び評価を行う。また基本回路については外部からのアナログ制御によっても評価可能であるが、多チャンネル化にあたっては、内部制御回路を組み込む必要がある。調整項目としては増幅率の調整、帯域の調整、補償回路の補償量調整等である。外部信号と接続するためのシフトレジスタ回路なども設計組み込みを行い外部プロセッサとの結合を実現する予定である。
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