Charge Pumps for Implantable Microstimulators in Low and High-Voltage Technologies

RESUME L'objectif principal de cette these est de concevoir et mettre en œuvre une pompe de charge qui peut produire suffisamment de tension afin de l’implementer a un systeme de prothese visuelle, concue par le laboratoire PolyStim neurotechnologies. Il a ete constate que l'une des parties les plus consommatrices d'energie de l'ensemble du systeme de prothese visuelle est la pompe de charge. En raison de la nature variable du tissu nerveux et de l'interface d’electrode, la tension necessaire par stimuler le tissu nerveux est tres eleve et consomme extremement d’energie. En outre, afin de fournir du courant biphasique aux electrodes il faut produire des tensions positives et negatives. La generation de tension negative est tres difficile, surtout dans les technologies a faible tension compte tenu des limites de la technologie. Le premier objectif du projet est de generer la haute tension necessaire qui va consommer une faible puissance statique. La technologie de haute tension a ete utilisee dans le but d’atteindre cet objectif. Le deuxieme objectif est de generer la tension requise dans la technologie de basse tension et ainsi surmonter les limites de la technologie. Dans les deux cas, une attention particuliere a ete portee afin que personne ne latch-up apparait pour le cycle negatif. L'architecture de la conception proposee a ete presentee dans cette these. La pompe de charge a ete concu et mis en oeuvre a la fois dans la technologie CMOS 0,8 μm offert par TELEDYNE DALSA et technologie 0,13 μm CMOS offert par IBM. En raison de la tension requise, 0,8 μm technologie a ete utilisee pour atteindre la sortie et concu pour minimiser la consommation de puissance statique. La meme architecture a ete mise en oeuvre en technologie 0,13 μm pour enqueter sur la tension de sortie obtenue avec une faible consommation electrique. Les deux puces ont ete testees en laboratoire PolyStim. Les resultats testes ont montre une variation moyenne tres faible de deviation inferieure a 5% par rapport au resultat de simulation. Pour la conception en 0,8 µm, nous avons ete en mesure d'obtenir plus de 25 V avec une consommation electrique tres faible d’energie statique de 3,846 mW et une charge d'entrainement maximum de 2 mA avec un maximum d'efficacite de 84,2%. Pour le meme processus en 0,13 µm, les resultats ont ete plus que 20V, 0,913 mW, 500 µA, et 85,2% respectivement. ----------ABSTRACT The main objective of the thesis is to design and implement a charge pump that can produce enough voltage required to be implemented to the visual prosthesis system, designed by the PolyStim Neurotechnologies laboratory. It has been found that one of the most power consuming parts of the whole visual prosthesis system is the charge pump. Due to the variable nature of the nerve tissue and electrode interface, the required voltage of stimulating the nerve tissue is very high and thus extremely power consuming. Also, in order to provide biphasic current to the electrodes, there is a requirement of generating both positive and negative voltages. Generating negative voltage is very hard especially in low voltage technologies considering the technology limitations. The first objective of the project is to generate required high voltage that will consume low static power. High voltage technology has been used to achieve the goal. The second objective is to generate the required voltage in low voltage technology overcoming the technology limitations. In both cases, special care has been taken so that no latch-up occurs for the negative cycle. Architecture of the proposed design has been presented in this thesis. The charge pump has been designed and implemented in both 0.8 µm CMOS technology offered by TELEDYNE DALSA and 0.13 µm CMOS technology offered by IBM. Because of the required voltage, 0.8 µm technology has been used to achieve the output and designed to minimize the static power consumption. The same architecture has been implemented in 0.13 µm technology to investigate the achievable output voltage with low power consumption. Both the chips have been tested in polyStim laboratory. The tested results have shown very low variation of less than 5% average deflection from the simulation output. For the design in 0.8 µm, we have been able to get more than 25 V output with very low static power consumption of 3.846 mW and maximum drive load of 2 mA with maximum efficiency of 84.2%. For the same design in 0.13 µm, the outputs were more than 20V, 0.913 mW, 500 µA, and 85.2% respectively.