System for experimental evaluation of parasitic parameters of integral multiplexers for electrical impedance tomography

Abstract

Physical parameters of analog multiplexer have influence on measuring, provided for electrical impedance tomography. For bio-medical application the most important is channel stray capacitance and difference among channels. Typical value is around several tens of picofarads. Integrated circuit manufactures usually do not specify this parameter and provide only typical value. Actual stray capacitance can be different from batch to batch up to several tens percentage. Parameter testing and selection can provide better quality of measurement or help to decrease influence of capacitance differences between channels. Leakage currents can cause significant influence on measurements. Especially, multiplexers lightly damaged by static electricity, can increase their leakage currents by an order of magnitude. Software and hardware system for testing of the multiplexers was developed. It can test main parameters of high voltage precision analog multiplexer, like: channels commutation, charge injection during channel switching, channels resistance, capacitance and leakage currents. Channel capacitance measurement accuracy is better than 1 pF, indeed we should substitute stray capacitance of reference multiplexer and empty test-socket. Channel capacitance measurement accuracy is around 1 Ohm, charge injection is around 1 pQ, leakage current around 100 pA. For testing we use reference multiplexer with known parameters, timer to measure charge-discharge time for capacitance estimation, precision amplifier and reed switch to measure small voltage. Replaceable sockets help test analog multiplexer not only 1 to 16 configurations, but any other configuration with smaller number of channels and even lower voltage supply if use voltage stabilizer embedded in the socket. System can check that multiplexer is fine, choose the same parameters of ICs for existing system, improve quality by choosing the ICs with the best parameters or measure them for further compensation by software.

• electrical impedance tomography
• high voltage analog multiplexer
• testing parameters

Аннотация (на русском)

Система для экспериментальной оценки паразитных параметров интегральных мультиплексоров для электроимпедансной томографии

Фактические параметры мультиплексоров влияют на измерения, проводимые для реализации электроимпедансной томографии. Для биологических объектов наибольшее влияние оказывают ёмкости каналов и разброс между ними. Типовое значение десятки пикофарад. Производители интегральных микросхем обычно не нормируют этот параметр, указывая типовое значение, то есть фактическая ёмкость может отличаться на несколько десятков процентов от партии к партии. Подобранные по параметрам аналоговые ключи позволяют проводить более качественное измерение или компенсировать погрешности программно. Ток утечки так же оказывает значительно влияние на измерение. В частности, мультиплексоры, поврежденные статическим электричеством, могут увеличивать токи утечки на порядки. Разработана программно-аппаратная система для тестирования основных параметром аналоговых высоковольтных ключей: факт коммутации каналов, инжекция заряда при переключениях, сопротивления каналов, ёмкости и токи утечек. Точность измерения ёмкости канала 1 пФ, следует учитывать паразитную ёмкость измерительных колодок и опорного мультиплексора. Сопротивление канала порядка 1 Ома, инжекция заряда - 1 пКл, токи утечки порядка 100 пА. Для тестирования используется опорный мультиплексор с известными параметрами, генератор ток и таймер для измерения времени разряда-заряда, прецизионный усилитель и герконовое реле для измерения малых напряжений. Сменные колодки для тестирования аналоговых ключей позволяют тестировать не только мультиплексоры 1 в 16, но и любые другие конфигурации с меньшим кол-во каналов, микросхемы в различных корпусах и даже с более низким напряжением питания при использовании понижающих стабилизаторов на колодке. Система позволяет проверить работоспособность ключей, подобрать в измерительную систему микросхемы с одинаковыми параметрами, улучшать качество выборкой “удачных” по параметрам или компенсировать измерения с учётом фактической ёмкости измерительного канала.

For citation

References

1. Barreiro M. et al. Multiplexing error and noise reduction in electrical impedance tomography imaging //Frontiers in Electronics. - 2022. - Т. 3. - С. 848618.
2. Wu Y. et al. Electrical impedance tomography for biomedical applications: Circuits and systems review //IEEE Open Journal of Circuits and Systems. - 2021. - Т. 2. - С. 380-397.
3. Korjenevsky A.V., Tuykin T. S. Experimental demonstration of electric field tomography //Physiological measurement. - 2010. - Т. 31. - №. 8. - С. S127.
4. Cherepenin V.A. et al. Three-dimensional EIT imaging of breast tissues: system design and clinical testing //IEEE transactions on medical imaging. - 2002. - Т. 21. - №. 6. - С. 662-667.
5. Sapetsky S. et al. Development of the system for visualization of electric conductivity distribution in human brain and its activity by the magnetic induction tomography (MIT) method //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2010. - Т. 224. - №. 1. - С. 012038.