عنوان
طراحي و شبيه‌سازي يك بخش جلويي ثبت سيگنال عصبي كم‌نويز و كم‌توان با ملاحظات سازگاري الكترومغناطيسي
نويسنده اصلي
سعيد نقوي
مقطع تحصيلي
دكتري
چكيده
در سال‌هاي اخير با گسترش علوم ميكروالكترونيك، تراشه‌هاي قابل كاشت در بدن نقش مهمي در پزشكي ايفا مي‌كنند. در اين بين ريزسيستم‌هاي ثبت سيگنال عصبي داراي اهميت ويژه‌اي براي شناخت فعاليت‌هاي مغزي و كمك به توسعه الگوريتم‌هاي مختلف براي مقابله با بيماري‌هاي عصبي مي‌باشند. گام نخست براي طراحي يك ريزسيستم ثبت سيگنال عصبي طراحي بخش جلويي دريافت سيگنال آن است كه مورد توجه اين رساله دكتري مي‌باشد. بخش جلويي دريافت سيگنال عصبي شامل بخش‌هايي نظير حس‌گر سيگنال عصبي، تسهيم‌كننده زماني و مبدل آنالوگ به ديجيتال مي‌باشد.
واحد حس‌گر سيگنال عصبي يكي از مهم‌ترين واحد‌هاي ريزسيستم‌هاي ثبت سيگنال عصبي محسوب مي‌شود. در اين ريزسيستم‌ها الكترودها سيگنال‌هاي ضعيفي را توليد مي‌كنند كه براي انجام پردازش‌هاي بعدي نياز به تقويت، فيلتر و بافركردن آن‌ها مي‌باشد. براي پياده‌سازي طبقه تقويت‌كننده از ساختار كلي حلقه بسته با فيدبك خازني استفاده شده است. هم‌چنين با توجه به سازش مناسب ميان توان مصرفي و نويز در OTAهاي با ساختار استفاده مجدد از جريان، اين ساختارها به عنوان هسته اصلي تقويت‌كننده عصبي پيشنهادي مورد استفاده قرار گرفته‌اند. با وجود مزاياي متعدد OTAهاي با ساختار استفاده مجدد از جريان، اين ساختارها مشابه هر ساختار كلاس A ديگر، بازدهي توان محدودي دارند. در اين رساله دكتري با استفاده از روشي ابتكاري بر مبناي گرايش تطبيقي زوج ترانزيستورهاي ورودي ضمن حفظ ويژگي‌هاي خوب ساختارهاي با استفاده مجدد از جريان، محدوديت‌هاي آن به ميزان قابل ملاحظه‌اي برطرف شده است.
يكي ديگر از اجزاي مهم بخش جلويي ثبت سيگنال عصبي، واحد تسهيم‌كننده است كه طراحي مناسب آن يكي ديگر از اهداف اين رساله دكتري مي‌باشد. نخستين موضوع مهم در طراحي يك تسهيم‌كننده زماني مناسب، عملكرد سوئيچ‌هاي آنالوگ داخل آن مي‌باشد. تزريق بار كانال و نفوذ كلاك مهم‌ترين خطاهاي ناشي از سوئيچ‌ها مي‌باشند كه بايد در طراحي سوئيچ‌هاي MOS آنالوگ در نظر گرفته شوند. اين خطاهاي ناشي از سوئيچ با استفاده از روشي ابتكاري در سوئيچ پيشنهادي به طور قابل ملاحظه‌اي كاهش داده شده است.
از ديگر اهداف اين پيشنهاد رساله دكتري طراحي يك ADC كم توان با مشخصات مناسب كاربردهاي عصبي مي‌باشد. در بين ساختارهاي مختلف ADC، مبدل‌هاي SAR از نظر تعداد بيت‌هاي موثر و پهناي‌باند مناسب كار با سيگنال‌هاي عصبي مي‌باشند. هم‌چنين مبدل‌هاي SAR به دليل اين‌كه داراي حداقل مدارهاي آنالوگ مي‌باشند، مناسب كاربردهاي كم‌توان و با سطح مصرفي كوچك هستند. در مبدل‌هاي SAR سنتي از الگوريتم جستجوي باينري براي به‌هنگام كردن تقريب ولتاژ ورودي بر اساس ولتاژ خروجي مقايسه‌كننده مورد استفاده قرار مي‌گيرد. اين در حالي است كه در مبدل‌هاي LSB-first اصلاحاتي در اين الگوريتم انجام شده است تا توان مصرفي ساختار به‌طور قابل ملاحظه‌اي كاهش يابد. در واقع در اين الگوريتم به جاي طي يك فرايند ثابت براي همه ورودي‌ها، حدس‌هاي اوليه هر كد را بر اساس كد استخراج شده قبلي قرار مي‌دهد و با توجه به اين‌كه در كاربردهاي عصبي به علت ماهيت فركانس پايين آن‌ها تغييرات دو كد متوالي چندان چشم‌گير نمي‌باشد، تعداد چرخه‌هاي كم‌تري براي استخراج كد جديد طي خواهد شد. به همين دليل اساس ADC پيشنهادي در اين رساله بر مبناي روش LSB-first بوده است.
در نهايت نكته ديگري كه در طراحي سيستم‌هاي عصبي بايد درنظر گرفته شود ملاحظات سازگاري الكترومغناطيسي مي‌باشد. راه‌كارهاي كلي كاهش آثار تداخل در مدارهاي آنالوگ را مي‌توان به چهار دسته كلي تقسيم‌بندي نمود: 1) تضعيف سيگنال EMI در ورودي، 2) خطي‌سازي افزاره‌هاي غيرخطي، 3) افزايش پهناي‌باند مدار، 4) جبران تغييرسطح DC ايجاد‌شده. از چهار راه‌كار كلي ارائه شده در مقالات براي كاهش اثر تداخل سه راه‌كار به‌طور هم‌زمان در طرح OTA پيشنهادي به‌كار گرفته شده است و به اين ترتيب ساختار پيشنهادي عملكرد بسيار مناسبي را از اين نظر خواهد داشت. هم‌چنين عملكرد مقاوم در برابر تداخل بدون صرف توان و سطح مصرفي اضافي به‌دست آمده است و عملكرد نويز ساختار نيز تحت تاثير قرار نگرفته است.
شماره ركورد
193996
دانشگاه
دانشگاه علم و صنعت ايران
استاد مشاور
دكتر عباس عرفانيان اميدوار
رشته تحصيلي
الكترونيك
استاد راهنما
دكتر اديب ابريشمي فر