طراحي و شبيه سازي بلوك‌هاي داخلي يك ريزسيستم ثبت سيگنال عصبي 8كاناله پردقت قابل كاشت

كارشناسي ارشد

در سال‌هاي اخير با گسترش علوم ميكروالكترونيك، تراشه‌هاي قابل كاشت در بدن نقش مهمي در پزشكي ايفا مي‌كنند. ريزسيستم‌هاي ثبت سيگنال عصبي يكي از مهم‌ترين واحد‌هاي تشكيل دهنده تراشه‌هاي قابل كاشت در بدن هستند. يك سيستم ثبت سيگنال عصبي قابل كاشت در بدن داراي واحدهاي حس‌گر سيگنال عصبي، تسهيم‌كننده زماني، مبدل آنالوگ به ديجيتال و رابط بي‌سيم انتقال داده و توان مي‌باشد. تمركز اصلي اين پايان‌نامه بر روي طراحي و شبيه‌سازي واحد حس‌گر سيگنال عصبي و تسهيم‌كننده زماني است. در ريز سيستم‌هاي ثبت سيگنال عصبي الكترودها سيگنال‌هاي ضعيفي را توليد مي‌كنند كه براي انجام پردازش‌هاي بعدي نياز به تقويت آن‌ها مي‌باشد. همه مدارهاي حس‌گر سيگنال عصبي داراي هر ساختاري كه باشند نياز به يك پيش‌تقويت‌كننده بسيار كم‌نويز و كم‌توان در ورودي خود دارند. به علت دقت بهره، خطينگي خوب، نسبت رد منبع تغذيه و نسبت رد حالت مشترك در اين پايان‌نامه از ساختار حلقه بسته با فيدبك خازني براي طراحي تقويت‌كننده عصبي استفاده شده است. OTAهاي با ساختار استفاده مجدد از جريان به علت توان مصرفي، نويز منتقل شده به ورودي و سطح مصرفي بسيار كم يكي از رايج‌ترين OTAها در طراحي تقويت‌كننده‌هاي عصبي به‌شمار مي‌آيند. با وجود مزاياي متعدد OTAهاي با ساختار استفاده مجدد از جريان با محدوديت‌هايي نظير بازده جرياني كم و كاهش ميزان هدايت انتقالي با افزايش ولتاژ تفاضلي ورودي روبه‌رو هستند. كه در اين پايان‌نامه با استفاده از روشي ابتكاري ضمن حفظ ويژگي‌هاي خوب ساختارهاي با استفاده مجدد از جريان، محدوديت‌هاي آن به ميزان قابل ملاحظه‌اي برطرف شده است. تقويت‌كننده پيشنهادي در فن‌آوري و با استفاده از ولتاژ تغذيه 1.8V طراحي و شبيه‌سازي شده است. ساختار حلقه باز OTA پيشنهادي داراي بهره 63dB و نويز منتقل شده به ورودي با صرف توان مصرفي 270nW مي‌باشد. براي حذف آفست DC ناشي از الكترودها و نيز با توجه به پهناي‌باند و بهره موردنياز تقويت‌كننده عصبي براي تقويت سيگنال‌هاي ورودي كه از نوع جهش مي‌باشند، OTA پيشنهادي در ساختار حلقه بسته با فيدبك خازني مورد استفاده قرار گرفته است. تقويت‌كننده حلقه بسته طراحي شده داراي بهره حدود 40dB، فركانس قطع پايين كم‌تر از 1Hz و فركانس قطع بالاي بيش‌تر از 7kHz مي‌باشد؛ هم‌چنين THD آن در اين بازه و با اعمال ولتاژ تفاضلي ورودي (بيشينه دامنه سيگنال جهش) برابر با 12/0 درصد مي‌باشد. به علاوه،NEF و PEF تقويت‌كننده پيشنهادي به ترتيب برابر با 1.01 و 1.83 مي‌باشند كه مقادير بسيار مطلوبي براي كاربردهاي تقويت‌كننده‌هاي عصبي مي‌باشند. يكي ديگر از اجزاي مهم مدارهاي حس‌گر سيگنال عصبي، واحد تسهيم‌كننده زماني مي‌باشد. تسهيم‌كننده‌هاي زماني از سوييچ‌هاي آنالوگ تشكيل شده‌اند. دقت اين سوئيچ‌ها در اثر عوامل مختلفي نظير تزريق ‌بار كانال، نفوذ كلاك، جريان ‌نشتي حالت خاموش و اعوجاج غيرخطي محدود مي‌شود. در اين پايان‌نامه با معرفي سوئيچي ساده و كوچك با ويژگي‌هاي ايستا و پوياي مناسب آثار خطاهاي تزريق بار كانال و نفوذ كلاك حداقل شده است، به‌علاوه با استفاده از روشي ابتكاري جريان نشتي سوئيچ به ميزان قابل ملاحظه‌اي كاهش داده شده است. سوئيچ پيشنهادي داراي THD برابر -89.8719dB، SNDR برابر 81.0147dB، ENOB برابر 13.1652 و SFDR برابر 98.552dB در فركانس ورودي 1.220703125kHz و فركانس كلاك 62.5kHz با ولتاژ تغذيۀ 1.8Vمي‌باشد. هم‌چنين جريان نشتي اين سوئيچ در بازۀ وسيعي از تغييرات ورودي ‌(از 2/0 الي 8/1 ولت) بسيار ناچيز و در بدترين شرايط كم‌تر از مي‌باشد. سوئيچ طراحي شده داراي ساختاري بسيار ساده و كوچك مي‌باشد و در فركانس‌هاي كم و زياد كاركردي مناسب دارد. اين امر سوئيچ پيشنهادي را براي استفاده در تسهيم‌كننده‌هاي زماني ثبت سيگنال عصبي بسيار جذاب مي‌كند.

189468

دانشگاه علم و صنعت ايران

الكترونيك

دكتر سيد اديب ابريشمي فر