ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΑΝΙΧΝΕΥΤΩΝ ΕΜΒΟΩΝ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΓΙΑ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΠΜΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΑΝΙΧΝΕΥΤΩΝ ΕΜΒΟΩΝ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΓΙΑ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΓΕΩΡΓΙΑ ΤΣΙΡΙΜΩΚΟΥ Α.Μ. 418 Πτυχιούχος Τμήματος Φυσικής Πάτρα, Μάιος 2013

2 ii

3 ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΑΝΙΧΝΕΥΤΩΝ ΕΜΒΟΩΝ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΓΙΑ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΓΕΩΡΓΙΑ ΤΣΙΡΙΜΩΚΟΥ Α.Μ. 418 Πτυχιούχος Τμήματος Φυσικής Εξεταστική επιτροπή: Κ. Ψυχαλίνος, Αναπλ. Καθηγητής Γ. Οικονόμου, Καθηγητής Σπ. Βλάσσης, Επίκ. Καθηγητής Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή την 21/05/2013. Κ. Ψυχαλίνος Αναπλ. Καθηγητής Γ. Οικονόμου Καθηγητής Σπ. Βλάσσης Επικ. Καθηγητής Πάτρα, Μάιος 2013 iii

4 iv

5 Περίληψη Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση ενός βιοϊατρικού συστήματος που είναι κατάλληλο για την ανίχνευση εμβοών σε ασθενείς. Το σύστημα αυτό αποτελείται από ένα αναλογικό τμήμα το οποίο περιλαμβάνει τους εξαγωγείς ενέργειας ζώνης συχνοτήτων για τα alpha, gamma και theta waves του εγκεφάλου που τροφοδοτούν τα αντίστοιχα κανάλια του συστήματος. Επίσης, το σύστημα περιλαμβάνει και ένα ψηφιακό τμήμα αποτελούμενο από συγκριτές ρεύματος και μια πύλη AND και το οποίο θα χρησιμεύσει για την λήψη της απόφασης σχετικά με το αν πάσχει ή όχι ο ασθενής. Η έξοδος του συστήματος θα οδηγεί ένα σύστημα ανάδρασης, ο οποίος θα προσαρμόζει τα επίπεδα έντασης των αντίστοιχων σημάτων που δέχεται ο ασθενής για την αποφυγή της εμφάνισης του φαινομένου της εμβοής. Η υλοποίηση του συστήματος γίνεται με χρήση MOS transistors τα οποία λειτουργούν στην περιοχή υποκατωφλίου. Η χρήση μικρών ρευμάτων πόλωσης δίνει τη δυνατότητα για σχεδίαση συστημάτων με χαμηλή κατανάλωση ισχύος και ταυτόχρονα επιτρέπει την υλοποίηση μεγάλων τιμών αντιστάσεων, οι οποίες είναι απαραίτητες για την πραγματοποίηση μεγάλων σταθερών χρόνου που απαιτούνται για τη διαχείριση των χαμηλής συχνότητας βιοϊατρικών σημάτων. Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη πρωτότυπης τοπολογίας για το αναλογικό τμήμα του συστήματος. Αυτό επιτεύχθηκε με την ανάπτυξη νέων δομών φίλτρων τα οποία λειτουργούν στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Οι κύριοι λόγοι υιοθέτησης αυτής της τεχνικής είναι ότι προσφέρει ταυτόχρονα τα παρακάτω: (α) δυνατότητα επεξεργασίας σημάτων τα οποία είναι μεγαλύτερα από το ρεύμα πόλωσης, λόγω της ενσωματωμένης λειτουργίας σε τάξη-αβ, (β) δυνατότητα λειτουργίας με καλή γραμμικότητα σε πολύ χαμηλή τάση τροφοδοσίας, (γ) ηλεκτρονική ρύθμιση των συχνοτικών χαρακτηριστικών τους από το ρεύμα πόλωσης, (δ) υλοποίηση φίλτρων χωρίς αντιστάτες, (ε) υλοποίηση φίλτρων με χρήση μόνο γειωμένων πυκνωτών. Η σχεδίαση των κυκλωμάτων, τόσο σε επίπεδο σχηματικού, όσο και σε επίπεδο μασκών, έγινε με τη χρήση του λογισμικού Cadence και με το Design Kit που παρέχεται από την τεχνολογία AMS CMOS C μm. Συγκρινόμενη με την αντίστοιχη ήδη προταθείσα δομή ανιχνευτή εμβοών, η προτεινόμενη τοπολογία προσφέρει τα παρακάτω ελκυστικά χαρακτηριστικά: (α) μειωμένη κατανάλωση ισχύος και (β) λειτουργία του αναλογικού τμήματος σε μικρότερη τάση τροφοδοσίας (0.5V). Λέξεις κλειδιά: Αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα, Κυκλώματα πολύ χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, Κυκλώματα για βιοϊατρικές εφαρμογές. v

6 vi

7 Abstract Subject of this M. Sc.Τhesis is the design of a biomedical system that is suitable for detecting tinnitus in patients. This system consists of an analog subsystem comprising band energy extractors for alpha, gamma and theta waves of the EEG that feed the channels of the system. The system also includes a digital section composed of current comparator and AND gate, which will serve as a decision on whether or not the suffering patient. The output of the system will drive a feedback system, which will adjust the intensity levels of the respective signals received by the patient to prevent the occurrence of the phenomenon of tinnitus. The system implementation is done using MOS transistors operating in the subthreshold region. The use of low-level bias currents allows for system design with low power consumption and, simultaneously, enables the implementation of large values of resistors that are necessary for the realization of large time constants required for the handling of low frequency biomedical signals. The aim of this thesis is to develop novel topology for the analog subsystem. Tjhis was achieved through the development ddevelopment of novel structures of filters using the concept of filtering in the Sinh-Domain. The main reasons for using this technique is that it simultaneously offers the following attractive characteristics: (a) capability for processing signals which are larger than the bias current, due to the inherent class-ab operation, (b) ability to achieve a relative high linearity at very low power supply voltage, (c) electronic adjustment of frequency characteristics through the bias current, (d) implementation of filters without resistors, and (e) implementation of filters using only grounded capacitors. The design of circuits, both at schematic and post-layout levels was performed using the Cadence software and the Design Kit provided by the AMS CMOS C μm technology. Compared with the corresponding already proposed structure tinnitus detector, the proposed topology to offer the following attractive features: (a) reduced power consumption, and (b) operation of the analog section in lower supply voltage (0.5V). Index Terms: Analog integrated circuits, ultra low-voltage circuits, Sinh-Domain circuits, Circuits for biomedical applications. vii

8 viii

9 Ευχαριστίες Η παρούσα Ειδική Ερευνητική Εργασία πραγματοποιήθηκε κατά το ακαδημαϊκό έτος , στα πλαίσια του Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης "Ηλεκτρονική και Επικοινωνίες (Ραδιοηλεκτρολογία)", του Τμήματος Φυσικής Πανεπιστημίου Πατρών. Το χρονικό διάστημα μέχρι την ολοκλήρωση των μεταπτυχιακών σπουδών μου αποτέλεσε μοναδική εμπειρία για εμένα και θα ήθελα να ευχαριστήσω τους ανθρώπους που συνετέλεσαν σε όλη αυτή την πορεία. Αρχικά, επιθυμώ να ευχαριστήσω θερμά τον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Κωνσταντίνο Ψυχαλίνο, για την εμπιστοσύνη που έδειξε στο πρόσωπό μου και την αμέριστη βοήθεια και συμπαράσταση που μου προσέφερε. Η συνεργασία μας διατηρήθηκε σε πολύ υψηλά επίπεδα καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας και οφείλω μεγάλη ευγνωμοσύνη για την ευκαιρία που μου έδωσε να συνεργαστούμε και για τις πολύτιμες γνώσεις που μου μετέδωσε. Ευχαριστώ, τον κ. Σπ. Βλάσση Επικ. Καθηγητή του Τμήματος Φυσικής και τον κ. Γ. Οικονόμου, Καθηγητή του τμήματος Φυσικής, όπου αποτελούν και μέλη της τριμελούς επιτροπής, καθώς και τον ερευνητή του Εργαστηρίου Ηλεκτρονικής Γ. Σουλιώτη για την πολύ καλή συνεργασία και τις πολύτιμες συμβουλές τους. Επίσης, θα ήθελα να εκφράσω την ευγνωμοσύνη μου στους γονείς μου, Χρήστο και Τούλα, καθώς και τον αδερφό μου Τάσο, όπου χάρη στην αμέριστη συμπαράσταση και έμπρακτη υποστήριξή τους μου έδωσαν την ευκαιρία να ολοκληρώσω τις σπουδές μου. Τέλος, θέλω να ευχαριστήσω όλους τους προσωπικούς μου φίλους, όπου η παρουσία τους ήταν καταλυτική για εμένα, αλλά και όλους τους συμφοιτητές μου για το ευχάριστο και δημιουργικό κλίμα που επικράτησε σε όλο το χρονικό διάστημα των σπουδών μου. Γεωργία Τσιριμώκου Πάτρα, Απρίλιος 2013 ix

10 x

11 Περιεχόμενα Περίληψη... Abstract... Ευχαριστίες... Περιεχόμενα... v vii ix xi Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Αναλογικά κυκλώματα σε χαμηλή τάση τροφοδοσίας Αντικείμενο και στόχοι της Διπλωματικής Εργασίας Οργάνωση της Διπλωματικής Εργασίας Κεφάλαιο 2 Σύστημα ανίχνευσης εμβοών Εισαγωγή Εμβοές Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα-Εγκεφαλικά κύματα Γενική περιγραφή του συστήματος Ανασκόπηση βιβλιογραφίας Κεφάλαιο 3 Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Εισαγωγή Περιγραφή συστημάτων συμπίεσης/αποσυμπίεσης Περιγραφή συστημάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Μη γραμμικοί διαγωγοί Ολοκληρωτές στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Ολοκληρωτές χωρίς απώλειες στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Ολοκληρωτές με απώλειες στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Υλοποίηση μη-γραμμικών διαγωγών με MOS transistor στην περιοχή υποκατωφλίου Κεφάλαιο 4 Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Εισαγωγή Σχεδίαση βαθυπερατού φίλτρου 2 ης -τάξης στο πεδίου του υπερβολικού ημιτόνου Τοπολογία του φίλτρου Αποτελέσματα εξομοίωσης Σχεδίαση ζωνοπερατού φίλτρου 2 ης - τάξης στο πεδίου του υπερβολικού ημιτόνου Τοπολογία του φίλτρου Αποτελέσματα εξομοίωσης xi

12 4.4 Κύκλωμα διαχωριστή ρεύματος (current splitter) Τοπολογία διαχωριστή Αποτελέσματα εξομοίωσης Κύκλωμα πολλαπλασιαστή 4 τεταρτημορίων (four quadrant multiplier) Τοπολογία πολλαπλασιαστή Αποτελέσματα εξομοίωσης Κεφάλαιο 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Εισαγωγή Σύστημα παραγωγής alpha, gamma, theta waves Γενική τοπολογία φίλτρου Αποτελέσματα εξομοίωσης Προτεινόμενο Κύκλωμα Εξαγωγής Ενέργειας Ζώνης Συχνοτήτων (Band Energy Extractor) Κύκλωμα Εξαγωγής Ενέργειας (Energy Extractor) Κύκλωμα Εξαγωγής Ενέργειας Ζώνης Συχνοτήτων Κύκλωμα Συγκριτή Ρεύματος (Current Comparator) Τυπικό κύκλωμα συγκριτή ρεύματος Αποτελέσματα εξομοίωσης Κύκλωμα πύλης AND Προτεινόμενη Υλοποίηση Συστήματος Ανιχνευτή Εμβοών Αποτελέσματα εξομοίωσης για το σύστημα ανιχνευτή εμβοών Αποτελέσματα εξομοίωσης για ανίχνευση εμβοής Αποτελέσματα εξομοίωσης για μη ανίχνευση εμβοής Κεφάλαιο 6 Φυσική σχεδίαση του συστήματος ανίχνευσης εμβοών Εισαγωγή Φυσική σχεδίαση βασικών Cells Φυσική σχεδίαση συστήματος Αποτελέσματα εξομοίωσης για το σύστημα ανιχνευτή εμβοών Αποτελέσματα εξομοίωσης για ανίχνευση εμβοής Αποτελέσματα εξομοίωσης για μη ανίχνευση εμβοής Κεφάλαιο 7 Συμπεράσματα-Προτάσεις για μελλοντική έρευνα Συμπεράσματα Προτάσεις για μελλοντική έρευνα Αναφορές xii

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - Εισαγωγή Εισαγωγή 1.1 Αναλογικά κυκλώματα σε χαμηλή τάση τροφοδοσίας Η συνεχής μείωση των διαστάσεων των CMOS κυκλωμάτων με την ταυτόχρονη αύξηση της πυκνότητας ολοκλήρωσης έχει δημιουργήσει την απαίτηση για τη σχεδίαση κυκλωμάτων που λειτουργούν σε πολύ χαμηλή τάση τροφοδοσίας (low-voltage power supply). Ο λόγος είναι ότι το μήκος του καναλιού (channel length) συνεχώς μειώνεται (45nm-350nm) και το πάχος του οξειδίου της πύλης είναι μερικά nm στις σύγχρονες τεχνολογίες, οπότε το περιβάλλον πόλωσης θα πρέπει να είναι τέτοιο ώστε τα transistor να μπορούν να λειτουργούν χωρίς να καταστραφούν. Η σχεδίαση αναλογικών κυκλωμάτων σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας δεν είναι εύκολη. Η ελάχιστη απαιτούμενη τάση τροφοδοσίας καθορίζεται από το άθροισμα των τάσεων πύλης-πηγής (V GS ) και των τάσεων απαγωγού-πηγής (V DS )των transistors που είναι συνδεδεμένα μεταξύ των τάσεων πόλωσης. Η ελάχιστη τιμή της τάσης V GS για να είναι το transistor σε αγωγή είναι ίση με την τάση κατωφλίου (V TH ). Επομένως, η τάση κατωφλίου των transistors αποτελεί σημαντικό περιορισμό για τη δραματική μείωση της απαιτούμενης τάσης τροφοδοσίας. Για παράδειγμα, για μια τεχνολογία 180nm η τυπική τιμή της τάσης κατωφλίου είναι 0.5V. Θεωρώντας ότι τα transistorλειτουργούν στην περιοχή κόρου της ισχυρής αναστροφής (strong inversion), τότε η ελάχιστη τιμή της τάσης V DS είναι V DS,SAT = V GS V TH. Μια τυπική τιμή της V DS,SAT είναι περίπου 200mV. Σήμερα, ένα αναλογικό κύκλωμα θεωρείται ως κύκλωμα με χαμηλή τάση τροφοδοσίας όταν V DD,MIN = V GS + 2V DS,SAT ή V DD,MIN = V GS + V DS,SAT. Οι παραπάνω εκφράσεις αντιστοιχούν σε τάσεις τροφοδοσίας που στην πράξη επιλέγονται ως 1.5V ή 1.2V, αντίστοιχα [1]. 13

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - Εισαγωγή Κάνοντας χρήση transistor στη γραμμική περιοχή (V DS < V DS,SAT ), οι παραπάνω απαιτήσεις μπορούν να μειωθούν, αλλά στην περίπτωση αυτή τα κυκλώματα έχουν σημαντικά μειωμένη γραμμικότητα. Εκτός από τη σχετικά υψηλή τιμή της τάσης κατωφλίου, ένα άλλος σημαντικός παράγοντας που μειώνει τις επιδόσεις των αναλογικών κυκλωμάτων είναι η μείωση του μήκους του καναλιού των transistors. Όσο μικραίνουν οι διαστάσεις τους τόσο μεγαλύτερη είναι η επίδραση του παράγοντα διαμόρφωσης του μήκους καναλιού (channel-length modulation factor, λ) με αποτέλεσμα να έχουμε χαμηλή ενίσχυση σημάτων λόγω της μικρής αντίστασης εξόδου του τρανζίστορ (r o = 1 λi D ). Mια τεχνική για την υλοποίηση αναλογικών κυκλωμάτων σε περιβάλλον πολύ χαμηλής τάσης τροφοδοσίας είναι με τη χρήση transistors που λειτουργούν στην περιοχή ασθενούς αναστροφής (weak inversion region) ή υποκατωφλίου (subthreshold region). Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η τάση πύλης-πηγής μπορεί να είναι μικρότερη από την τάση κατωφλίου τουλάχιστον κατά 100mV. Επίσης, η απαιτούμενη τάση κόρου για την τάση απαγωγού-πηγής έχει ελάχιστη τιμή περίπου ίση με 100mV. Επομένως, είναι δυνατή η σχεδίαση κυκλωμάτων τα οποία λειτουργούν σε τάση τροφοδοσίας mV. Από την άλλη μεριά, η χρήση transistors που λειτουργούν στην περιοχή υποκατωφλίου έχει τα παρακάτω μειονεκτήματα: (α) η επίδραση του μη απόλυτου ταιριάσματος των παραμέτρων των transistors είναι αυξημένη σε σχέση με την περίπτωση όπου τα transistor λειτουργούν στην περιοχή ισχυρής αναστροφής και (β) η μέγιστη συχνότητα λειτουργίας των κυκλωμάτων είναι σχετικά χαμηλή [2]. Η επίδραση του μη απόλυτου ταιριάσματος μπορεί να ελαχιστοποιηθεί με χρήση κατάλληλων τεχνικών (χρήση συνδυασμού μοναδιαίων transistors ή επιπλέον κυκλωμάτων αντιστάθμισης), τόσο σε σχηματικό επίπεδο, όσο και σε επίπεδο φυσικής σχεδίασης. Η μειωμένη μέγιστη συχνότητα λειτουργίας δεν αποτελεί πρόβλημα σε βιοϊατρικές εφαρμογές, που είναι και το αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας, αφού τα βιοϊατρικά σήματα είναι της τάξης των μερικών δεκάδων Hz. Τα απαιτούμενα πολύ μικρά ρεύματα (της τάξης των pa) πόλωσης είναι πολύ βολικά για την ανάπτυξη βιοϊατρικών συστημάτων αφού στην περίπτωση αυτή η επίτευξη της μέγιστης διάρκειας ζωής της μπαταρίας αποτελεί τον πιο σημαντικό παράγοντα για τον χαρακτηρισμό της ποιότητας ενός συστήματος. Επιπλέον, λόγω των μικρών ρευμάτων πόλωσης οι υλοποιούμενες τιμές των αντιστάσεων είναι πάρα πολύ μεγάλες με αποτέλεσμα να απαιτούνται σχετικά μικρές τιμές πυκνωτών για την πραγματοποίηση των σταθερών χρόνου των φίλτρων που χρησιμοποιούνται σε βιοϊατρικές εφαρμογές. Να σημειωθεί επίσης ότι τα βιοϊατρικά σήματα έχουν σχετικά χαμηλές τιμές και έτσι η δυναμική περιοχή των συστημάτων που υλοποιούνται είναι υψηλή. Αυτή μπορεί να αυξηθεί παραπάνω με τη χρήση κυκλωμάτων που λειτουργούν σε τάξη-αβ, τα οποία επιτρέπουν την πόλωση του συστήματος σε ρεύμα σημαντικά μικρότερο από τα ρεύματα τα οποία πρόκειται να επεξεργαστούν από το σύστημα. 14

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - Εισαγωγή 1.2 Αντικείμενο και στόχοι της Διπλωματικής Εργασίας Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση ενός βιοϊατρικού συστήματος που είναι κατάλληλο για την ανίχνευση εμβοών σε ασθενείς. Το σύστημα αυτό αποτελείται από ένα αναλογικό τμήμα το οποίο περιλαμβάνει τους εξαγωγείς ενέργειας ζώνης συχνοτήτων για τα alpha, gamma, και theta waves του εγκεφάλου που τροφοδοτούν τα αντίστοιχα κανάλια του συστήματος. Επίσης, το σύστημα περιλαμβάνει και ένα ψηφιακό τμήμα αποτελούμενο από συγκριτές ρεύματος και μια πύλη AND και το οποίο θα χρησιμεύσει για την λήψη της απόφασης σχετικά με το αν πάσχει ή όχι ο ασθενής. Η έξοδος του συστήματος θα οδηγεί ένα σύστημα ανάδρασης, ο οποίος θα προσαρμόζει τα επίπεδα έντασης των αντίστοιχων σημάτων που δέχεται ο ασθενής για την αποφυγή της εμφάνισης του φαινομένου της εμβοής [3]-[5]. Θα γίνει χρήση MOS transistors τα οποία λειτουργούν στην περιοχή υποκατωφλίου. Η χρήση μικρών ρευμάτων πόλωσης δίνει τη δυνατότητα για σχεδίαση συστημάτων με χαμηλή κατανάλωση ισχύος και ταυτόχρονα επιτρέπει την υλοποίηση μεγάλων τιμών αντιστάσεων οι οποίες είναι απαραίτητες για την πραγματοποίηση μεγάλων σταθερών χρόνου οι οποίες απαιτούνται για τη διαχείριση των χαμηλής συχνότητας βιοϊατρικών σημάτων. Η σχεδίαση των κυκλωμάτων, τόσο σε επίπεδο σχηματικού, όσο και σε επίπεδο μασκών θα γίνει με τη χρήση του λογισμικού Cadence και με το Design Kit που παρέχεται από την τεχνολογία AMS CMOS C μm. Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη πρωτότυπης τοπολογίας για το αναλογικό τμήμα του συστήματος. Η επίτευξη των παραπάνω θα γίνει με την ανάπτυξη πρωτότυπων δομών φίλτρων τα οποία λειτουργούν στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh- Domain). Οι κύριοι λόγοι υιοθέτησης αυτής της τεχνικής είναι ότι προσφέρει ταυτόχρονα τα παρακάτω: (α) δυνατότητα επεξεργασίας σημάτων τα οποία είναι μεγαλύτερα από το ρεύμα πόλωσης, λόγω της ενσωματωμένης λειτουργίας σε τάξη-αβ, (β) δυνατότητα λειτουργίας με καλή γραμμικότητα σε πολύ χαμηλή τάση τροφοδοσίας, (γ) ηλεκτρονική ρύθμιση των συχνοτικών χαρακτηριστικών τους από το ρεύμα πόλωσης, (δ) υλοποίηση φίλτρων χωρίς αντιστάτες, και (ε) υλοποίηση φίλτρων με χρήση μόνο γειωμένων πυκνωτών. Λαμβάνοντας υπόψη ότι και το απαιτούμενο κύκλωμα ενός τετραγωνιστή λειτουργεί σε τάξη- ΑΒ θα είναι δυνατή η επεξεργασία από το σύστημα σημάτων τα οποία είναι μεγαλύτερα από το ρεύμα πόλωσης. Σε σχέση με την ήδη προταθείσα αντίστοιχη δομή [6], στόχος της εργασίας είναι η προτεινόμενη τοπολογία να προσφέρει τα παρακάτω ελκυστικά χαρακτηριστικά: (α) μειωμένη κατανάλωση ισχύος και (β) λειτουργία του αναλογικού τμήματος σε μικρότερη τάση τροφοδοσίας (0.5V). Όλα τα παραπάνω θα επιβεβαιωθούν δια μέσου αποτελεσμάτων εξομοίωσης πριν και μετά τη φυσική σχεδίαση του συστήματος. 15

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - Εισαγωγή 1.3 Οργάνωση της Διπλωματικής Εργασίας Η Διπλωματική Εργασία οργανώνεται ως έξης: Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται μια γενική παρουσίαση του συστήματος ανίχνευσης εμβοών, σε επίπεδο μπλοκ διαγράμματος λειτουργίας. Αρχικά παρουσιάζονται τα γενικά χαρακτηριστικά των alpha, gamma, και theta waves και στη συνέχεια αναλύονται οι επιμέρους βαθμίδες του συστήματος. Τέλος, γίνεται ανασκόπηση της βιβλιογραφίας και παρουσιάζεται με συντομία η αντίστοιχη ήδη προταθείσα δομή ανίχνευσης εμβοών. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται η παρουσίαση της αρχής λειτουργίας των κυκλωμάτων συμπίεσης-αποσυμπίεσης. Αρχικά, δίνεται η γενική λειτουργία και στη συνέχεια παρουσιάζονται τα κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Για το σκοπό αυτό δίνονται τα κυκλώματα των μη-γραμμικών διαγωγών, τα οποία χρησιμεύουν για την υλοποίηση ολοκληρωτών με και χωρίς απώλειες. Οι ολοκληρωτές που παρουσιάζονται αναλύονται από πλευράς λειτουργίας και επίσης δίνονται οι αντίστοιχες απλοποιημένες τοπολογίες. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η κυκλωματική υλοποίηση των μη-γραμμικών διαγωγών, η οποία γίνεται με τη χρήση MOS transistors στην περιοχή υποκατωφλίου. Τα παραπάνω θα αποτελέσουν τα βασικά δομικά στοιχεία για τη σύνθεση φίλτρων ανώτερης τάξης στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται τοπολογίες φίλτρων 2 ης -τάξης στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Συγκεκριμένα, παρουσιάζεται ένα βαθυπερατό φίλτρο 2 ης -τάξης και ένα ζωνοπερατό φίλτρο 2 ης -τάξης. Στη συνέχεια δίνεται το κύκλωμα ενός διαχωριστή ρεύματος, καθώς και το κύκλωμα ενός πολλαπλασιαστή ρεύματος τεσσάρων τεταρτημορίων. Η σχεδίαση των τοπολογιών έγινε με το Virtuoso Schematic Editor και η μελέτη της συμπεριφοράς και των επιδόσεων τους έγινε με το Virtuoso Analog Design Environment. Τα μοντέλα των MOS transistor που χρησιμοποιήθηκαν είναι αυτά της τεχνολογίας AMS CMOS C µm. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται το προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών, όπου τα βασικά δομικά στοιχεία είναι κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Αρχικά παρουσιάζονται τα κυκλώματα των απαιτούμενων συγκριτών ρεύματος, καθώς και το κύκλωμα της πύλης AND. Έπειτα, δίνεται το σχηματικό του συστήματος σε 1 ο επίπεδο ιεραρχίας, με τη χρήση του Virtuoso Schematic Editor καθώς και τα επιμέρους κυκλώματα που απαρτίζουν το σύστημα (2 ο επίπεδο ιεραρχίας). Τέλος, ακολουθεί η αναλυτική παρουσίαση της δομής τους. Η μελέτη της συμπεριφοράς του ανιχνευτή έγινε με το Virtuoso Analog Design Environment, και παρουσιάζονται κυματομορφές των σημάτων εισόδου, εξόδου, καθώς και των ενδιάμεσων βαθμίδων, τόσο για την περίπτωση ανίχνευσης εμβοής, όσο για την περίπτωση μη ανίχνευσης εμβοής. Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται η φυσική σχεδίαση (layout design) του προτεινόμενου συστήματος. Αρχικά, θα δοθούν τα βασικά cells και στη συνέχεια θα παρουσιαστούν τα 16

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - Εισαγωγή διάφορα επίπεδα του συστήματος μέχρι την τελική απεικόνιση του συστήματος. Η φυσική σχεδίαση του συστήματος ανίχνευσης εμβοών πραγματοποιήθηκε με χρήση του Virtuoso Layout Editor. Η μελέτη της συμπεριφοράς του ανιχνευτή έγινε με το Virtuoso Analog Design Environment, και θα παρουσιαστούν οι κυματομορφές των σημάτων εξόδου που προκύπτουν από την εξομοίωση του σχηματικού και της φυσικής σχεδίασης, τόσο για την περίπτωση ανίχνευσης εμβοής, όσο και για την περίπτωση μη ανίχνευσης εμβοής. Στο Κεφάλαιο 7 δίνονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν κατά την εκπόνηση της Διπλωματικής Εργασίας, καθώς και προτάσεις για μελλοντική έρευνα. 17

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - Εισαγωγή 18

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 - Σύστημα ανίχνευσης εμβοών Σύστημα ανίχνευσης εμβοών 2.1 Εισαγωγή Στο Κεφάλαιο αυτό αρχικά γίνεται μια παρουσίαση της πάθησης των εμβοών στα αυτιά ασθενών. Παρουσιάζονται τα βασικά αίτια αυτής της πάθησης και γίνεται εστίαση σε αυτά που αφορούν κυρίως παθήσεις του νευρικού συστήματος ή ανατομικές παθήσεις. Στη συνέχεια, γίνεται μια συνοπτική παρουσίαση του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος (EEG) και έμφαση δίνεται σε μερικά από τα εγκεφαλικά κύματα που σχετίζονται με την πάθηση της εμβοής. Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται τα alpha, gamma και theta waves των οποίων η στάθμη καθορίζει και την εμφάνιση ή απουσία εμβοής. Ακολουθεί η παρουσίαση του συστήματος ανίχνευσης εμβοής, όπου γίνεται ανάλυση σε επίπεδο μπλοκ διαγράμματος της βασικής λειτουργίας των επιμέρους υποσυστημάτων. Τέλος, γίνεται μια ανασκόπηση της βιβλιογραφίας όπου παρουσιάζεται μία ήδη δημοσιευμένη τοπολογία ανιχνευτή εμβοών. 19

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 - Σύστημα ανίχνευσης εμβοών 2.2 Εμβοές Με τον όρο εμβοή εννοούμε την αντίληψη κάποιου ήχου κατά την απουσία ενός ηχητικού ερεθίσματος [3]-[4]. Στο Σχήμα 2.1 φαίνεται η διαδρομή που ακολουθεί ένα ακουστικό ερέθισμα μέχρι να φτάσει στον ακουστικό φλοιό (auditory cortex) του εγκεφάλου, γεγονός που σηματοδοτεί και την αντίληψη του ήχου. Επίσης, στο Σχήμα 2.2 φαίνεται με λεπτομέρεια ο ακουστικός φλοιός του εγκεφάλου, και πιο συγκεκριμένα οι ζώνες αντίληψης της συχνότητας των ήχων. Σχήμα 2.1. Διαδρομή ηχητικού ερεθίσματος από το αυτί μέχρι τον ακουστικό φλοιό του εγκεφάλου ( Σχήμα 2.2. Ζώνες αντίληψης των συχνοτήτων ενός ερεθίσματος στον ακουστικό φλοιό του εγκεφάλου ( 20

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 - Σύστημα ανίχνευσης εμβοών Οι εμβοές μπορεί να ταξινομηθούν σε εμβοές ήπιας και σοβαρής μορφής. Οι εμβοές ήπιας μορφής είναι μερικές φορές αντιληπτές από τον ασθενή περιστασιακά ή μόνο όταν βρίσκεται σε ήσυχο περιβάλλον και συνήθως δεν δημιουργούν ιδιαίτερο πρόβλημα. Οι εμβοές σοβαρής μορφής αποτελούν ένα πολύ ενοχλητικό σύμπτωμα, το οποίο συχνά επηρεάζει την ποιότητα ζωής του ασθενούς. Σε ορισμένους ασθενείς, οι εμβοές μπορεί να σχετίζονται με υπερακουσία (μειωμένη ανοχή σε ήχους), η οποία να είναι επίσης ένα πολύ ενοχλητικό σύμπτωμα. Οι παράγοντες που σχετίζονται με εμβοές είναι οι εξής: ηλικία, φύλο, φυλή και βαρηκοΐα. Οι εμβοές είναι πιο συχνές σε ασθενείς ηλικίας από 50 έως και 71 ετών, αν και μπορεί να παρουσιαστούν και σε νεότερα άτομα. Στην ομάδα των ατόμων ηλικίας από 20 έως 29 ετών, οι εμβοές έχουν αναφερθεί σε ποσοστό 4,7% έναντι 12,1% στην ομάδα των ατόμων ηλικίας από 60 έως 69 ετών. Οι άντρες ηλικίας άνω των 65 ετών προσβάλλονται πιο συχνά από τις γυναίκες της αντίστοιχης ηλικίας (12% έναντι 7%). Βέβαια, η συχνότητα των εμβοών αυξάνεται ανάλογα με την σοβαρότητα κάθε συνυπάρχουσας βαρηκοΐας. Στην πλειοψηφία των ασθενών που πάσχουν από εμβοές συνυπάρχει μία βαρηκοΐα, παρόλο που πολλοί άλλοι παράγοντες και κλινικές καταστάσεις μπορεί να είναι υπεύθυνες για το σύμπτωμα αυτό. Σε μία μελέτη, ποσοστό 75% των ασθενών με εμβοές είχαν κατά μέσο όρο απώλεια ακοής 30 db μεταξύ των συχνοτήτων από 3 έως 8 khz. Η συχνότητα των εμβοών αντιστοιχεί συνήθως στην συχνότητα της απώλειας ακοής. Η έκθεση σε θόρυβο αποτελεί μία κοινή αιτία πρόκλησης εμβοών. Άλλες αιτίες είναι: η πρεσβυακουσία, η νόσος του Menière, η χρόνια ωτίτιδα, η ωτοσκλήρυνση, τα ακουστικά νευρινώματα, οι κρανιοεγκεφαλικές κακώσεις, και οι κακώσεις της αυχενικής μοίρας της σπονδυλικής στήλης. Οι εμβοές επίσης μπορεί να αποτελούν σύμπτωμα δυσλειτουργίας της κροταφογναθικής άρθρωσης, συνδυαζόμενο με ύπαρξη αισθήματος πληρότητας του αυτιού, πόνο/ δυσανεξία, ευαισθησία κατά την πίεση της πάσχουσας άρθρωσης. Παρά την κλασσική θεωρία ότι ο κοχλίας αποτελεί το σημείο προέλευσης των εμβοών, πρόσφατες μελέτες έχουν αποκαλύψει σημαντικά στοιχεία ότι οι περισσότεροι τύποι εμβοών σοβαρής μορφής οφείλονται σε διαταραχές της ακουστικής οδού και του κεντρικού νευρικού συστήματος. Οι πιο διαδεδομένες τεχνικές για την αντιμετώπιση των εμβοών σήμερα είναι η ηχοκάλυψη και η θεραπεία επανεκπαίδευσης για τις εμβοές. Άλλες μέθοδοι είναι η φαρμακευτική χορήγηση και η χειρουργική επέμβαση. Τέλος, εναλλακτική μέθοδο αποτελεί η διακρανιακή μαγνητική διέγερση και ηλεκτρική διέγερση του ακουστικού φλοιού, όπου αφορά και το αντικείμενο της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας. Έχει βρεθεί ότι η διακρανική μαγνητική διέγερση με επαναλαμβανόμενες χαμηλές συχνότητες (low frequency repetitive transcranial magnetic stimulation (rtms) και η ηλεκτρική διέγερση του ακουστικό φλοιού (electrical stimulation of the auditory cortex) είναι αποτελεσματικές για τους ασθενείς που πάσχουν από χρόνιες εμβοές. Οι δύο αυτές μέθοδοι έχουν δώσει πολύ ενθαρρυντικά στοιχεία για την αντιμετώπιση ασθενών με χρόνιες εμβοές σοβαρής μορφής [6]. 21

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 - Σύστημα ανίχνευσης εμβοών 2.3 Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα-Εγκεφαλικά κύματα Η ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου καταγράφεται με τη μορφή των εγκεφαλικών σημάτων. Η λήψη των εγκεφαλικών σημάτων γίνεται με κατάλληλη τοποθέτηση των ηλεκτροδίων, όπως αυτή που φαίνεται στο Σχήμα 2.3 [5]. Σχήμα 2.3. Τοποθέτηση ηλεκτροδίων για λήψη EEG, σύμφωνα με το πρότυπο της American Electroencephalographic Society. ( Τα χαρακτηριστικά των σημάτων αυτών είναι η συχνότητα, το πλάτος τους, η μορφή τους, η περιοχή επιφάνειας του κρανίου από όπου συλλέγονται και η συσχέτιση τους με φυσιολογικές ή παθολογικές καταστάσεις. Οι κυμάνσεις αυτές δεν είναι τυχαίες αλλά περιέχουν συγκεκριμένους ρυθμούς, δηλαδή έχουν συγκεκριμένο φασματικό περιεχόμενο, συγκεκριμένο πλάτος και συγκεκριμένη κατανομή πάνω στον εγκεφαλικό φλοιό. Η μελέτη των εγκεφαλικών ρυθμών οδήγησε στον διαχωρισμό τους σε φασματικές ζώνες οι οποίες συσχετίστηκαν με διαφορετικές λειτουργίες του εγκεφάλου αλλά και με διαφορετικές φυσιολογικές και παθολογικές καταστάσεις. Παρακάτω παρουσιάζονται οι εγκεφαλικοί ρυθμοί και κάποια βασικά χαρακτηριστικά τους. 22

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 - Σύστημα ανίχνευσης εμβοών Άλφα ρυθμός (alpha rhythm): Πρόκειται για ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις στη συχνοτική περιοχή 8-12Hz, που καταγράφονται στα πυραμιδικά κύτταρα του φλοιού και προκαλούνται από τη συγχρονισμένη (βηματοδοτική) ηλεκτρική δραστηριότητα των κυττάρων του θαλάμου. O α-ρυθμός εντοπίζεται κυρίως στον ινιακό λοβό, ενώ είμαστε ξύπνιοι, σε χαλάρωση και με μάτια κλειστά, αντιπροσωπεύοντας κατά κάποιο τρόπο τη δραστηριότητα του οπτικού φλοιού απουσία εξωτερικών ερεθισμών. Στο Σχήμα 2.4 φαίνεται η κυματομορφή των κυμάτων άλφα (alpha waves). Σχήμα 2.4. Τυπική κυματομορφή των alpha waves ( Δέλτα ρυθμός (delta rhythm): Πρόκειται για μεγάλου πλάτους και χαμηλής συχνότητας (4Hz) ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις που φυσιολογικά καταγράφονται στους ενήλικες κατά τα στάδια ΙΙΙ και ΙV του ύπνου, ενώ σε καταστάσεις εγρήγορσης μόνο σε παιδιά ηλικίας κάτω των 13 ετών. Για την ακρίβεια, ο δ-ρυθμός συνιστά ένα ποσοτικό κριτήριο για την διάκριση ανάμεσα στα στάδια του βαθύ ύπνου. Οι χαμηλής συχνότητας ηλεκτρικές ταλαντώσεις που εκδηλώνονται κατά τα στάδια του ύπνου, φέρονται ως σημαντικά εμπλεκόμενες στο μηχανισμό σχηματισμού και εδραίωσης της μνήμης. Στο Σχήμα 2.5 φαίνεται η κυματομορφή των κυμάτων δέλτα (delta waves). Σχήμα 2.5. Τυπική κυματομορφή των delta waves ( 23

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 - Σύστημα ανίχνευσης εμβοών Βήτα ρυθμός (beta rhythm): Με τον όρο αυτό χαρακτηρίζεται η εγκεφαλική ηλεκτρομαγνητική δραστηριότητα που καταγράφεται σε συχνότητες 13-30Hz και εμφανίζεται όταν είμαστε ξύπνιοι σε κατάσταση φυσιολογικής εγρήγορσης. Τα πλάτη του σε διάφορες συχνοτικές περιοχές έχουν συχνά συσχετιστεί με λειτουργίες, όπως είναι η νοητική συγκέντρωση και η σκέψη σε καταστάσεις άγχους. Η εμφάνιση του β-ρυθμού επηρεάζεται επίσης από παθολογικούς παράγοντες και από τη χρήση φαρμάκων. Στο Σχήμα 2.6 φαίνεται η κυματομορφή των κυμάτων βήτα (beta waves). Σχήμα 2.6. Τυπική κυματομορφή των beta waves ( Γάμμα ρυθμός (gamma rhythm): Σε αναλογία με τον β-ρυθμό, κυριαρχούν στον εγκέφαλο σε φάσεις λειτουργικής εγρήγορσης και καταγράφονται σε συχνότητες Hz. Έχουν ωστόσο παρατηρηθεί σε όμορφες φλοϊικές περιοχές κατά τη διάρκεια κάποιων μορφών αναισθησίας και κατά τις φάσεις του φυσιολογικού βαθύ και REM ύπνου, όπου η εγκεφαλική συνειδητότητα είναι αμφίβολη ή σε αναστολή. Συγκεκριμένα, ο γ-ρυθμός, που παρατηρείται κατά τη διάρκεια των βαθέων σταδίων του ύπνου, αποτυπώνεται στο σήμα του καταγραφόμενου EEG. Η δραστηριότητα τύπου γ έχει συσχετιστεί με την εστιασμένη εγρήγορση, την κίνηση, τη σωματοαισθητική αντίληψη και πρόβλεψη. Στο Σχήμα 2.6 φαίνεται η κυματομορφή των κυμάτων γάμμα (gamma waves). Σχήμα 2.7. Τυπική κυματομορφή των gamma waves( 24

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 - Σύστημα ανίχνευσης εμβοών Θήτα ρυθμός (theta rhythm): Ο ρυθμός αυτός καταγράφεται στις συχνότητες 4-8Hz και προκαλείται από τη συγχρονισμένη πυροδότηση πολλών νευρώνων, που εντοπίζονται στην περιοχή του ιππόκαμπου. Φυσιολογικά στους ενήλικες είναι υπαρκτός σε κάποια στάδια του ύπνου, ενώ η παρατήρησή του είναι επίσης πιθανή σε περιπτώσεις εγκεφαλικής βλάβης και σε παθολογικές καταστάσεις όπως η επιληψία. Οι ταλαντώσεις τύπου θ, παρόλο που η λειτουργική τους σημασία δεν έχει ξεκαθαριστεί, έχουν συσχετιστεί με τις διαδικασίες της διανοητικής συγκέντρωσης, της μνήμης και της μάθησης. Στο Σχήμα 2.8 φαίνεται η κυματομορφή των κυμάτων θήτα (theta waves)[7]. Σχήμα 2.8. Τυπική κυματομορφή των thetawaves ( 25

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 - Σύστημα ανίχνευσης εμβοών 2.4 Γενική περιγραφή του συστήματος Σύμφωνα με κλινικές μελέτες εμφάνιση εμβοής έχουμε όταν υπάρχει αυξημένη ενέργεια στα theta και gamma waves, και μειωμένη ενέργεια στα alpha waves, σε σχέση με τα αντίστοιχα επίπεδα ενέργειας ενός υγιούς ατόμου. Αυτό φαίνεται και στο Σχήμα 2.9, όπου απεικονίζονται οι φασματικές πυκνότητες των ηλεκτροεγκεφαλογραφημάτων που καταγράφονται από υγιείς και μη υγιείς (όπου εμφανίζονται εμβοές) περιοχές του ακουστικού φλοιού του ανθρώπου [8]. Σχήμα 2.9. Φασματικές πυκνότητες ηλεκτροεγκεφαλογραφημάτων από υγιείς και μη υγιείς περιοχές του ακουστικού φλοιού του ανθρώπου [8]. Για την εξάλειψη ή τη μείωση του φαινομένου εμφάνισης των εμβοών πρόσφατες κλινικές μελέτες έχουν δείξει ότι μερικοί ασθενείς μπορούν να θεραπευτούν με την εφαρμογή κατάλληλης ηλεκτρικής διέγερσης στον εγκέφαλο. Αυτό γίνεται με την εμφύτευση κατάλληλων γεννητριών παλμών, οι οποίες θα έχουν τη δυνατότητα προγραμματισμού των χαρακτηριστικών στοιχείων των παλμών που θα εφαρμόζονται σε συγκεκριμένα ηλεκτρόδια. Λόγω της απουσίας αυτοματοποιημένων ανιχνευτών εμβοών μέχρι σήμερα ο προγραμματισμός απαιτεί τη συμμετοχή του ασθενούς για να καθορίζει τις αλλαγές στην ένταση λήψης των εμβοών με σκοπό να καθοριστεί η εφαρμοζόμενη θεραπεία με ηλεκτρικά σήματα. Αυτή η διαδικασία απαιτεί χρόνο, πολλές δοκιμές και επαναλήψεις, συγκέντρωση από τον ασθενή και είναι πολύ εξαντλητική. Έτσι, έχοντας διαθέσιμο έναν αυτόματο ανιχνευτή εμβοών θα είναι δυνατή η αυτόματη επιλογή και προσαρμογή της θεραπείας, και οι παράμετροι θα καθορίζονται από τον φυσίατρο. Ένα τέτοιο αυτοματοποιημένο σύστημα κλειστού βρόχου φαίνεται στο Σχήμα

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 - Σύστημα ανίχνευσης εμβοών Παράμετροι που τίθενται από το φυσίατρο Ανιχνευτής μp/μc Διεγέρτης Απλοποιημένη νευρωνική συσκευή Βρόχος διέγερσης Νευρικός ιστός Σχήμα Αυτοματοποιημένο σύστημα κλειστού βρόχου. Το μπλοκ διάγραμμα ενός ανιχνευτή εμβοών φαίνεται στο Σχήμα Channel 1 i in_deceased i in_deceased i in_deceased Energy Extractor alpha Energy Extractor gamma Energy Extractor theta α1 i out_deceased - V o,a i out_deceased i out_deceased Band Energy alpha α2 Energy Extractor alpha i out_health + Band Energy gamma γ1 γ2 Energy Extractor gamma i out_health + - V o,γ Band Energy theta θ1 θ2 Energy Extractor theta i out_health + - V o,θ AND V out i in_health i in_health i in_health Channel 2 Σχήμα Μπλοκ διάγραμμα ανιχνευτή εμβοών. 27

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 - Σύστημα ανίχνευσης εμβοών Τα channel 1 και channel 2 αντιπροσωπεύουν τα ηλεκτρόδια που καταγράφουν σήματα από περιοχές με πάθηση εμβοών και υγιείς περιοχές του ακουστικού φλοιού αντίστοιχα. Για κάθε ζώνη συχνοτήτων που αντιστοιχεί στα alpha, gamma, και theta waves υπάρχουν δύο εξαγωγείς ενέργειας (energy extractors) που συνδέονται με τα channel 1και channel 2, αντίστοιχα, και οι οποίοι εξάγουν την ενέργεια που αντιστοιχεί στα σήματα που προέρχονται από προβληματικές και υγιείς περιοχές του ακουστικού φλοιού. Το σύστημα των δύο εξαγωγέων σημειώνεται στο Σχήμα 2.11 ως band energy alpha (gamma, theta). Κάθε εξαγωγέας ενέργειας αποτελείται από (α) ένα ζωνοπερατό φίλτρο το οποίο χρησιμεύει για την αντίστοιχη επιλογή της ζώνης συχνοτήτων (alpha, gamma, theta waves) από το EEG, (β) έναν τετραγωνιστή (squarer), και (γ) ένα βαθυπερατό φίλτρο το οποίο εξάγει την ενέργεια του σήματος μέσα στη ζώνη συχνοτήτων που μας ενδιαφέρει. Έτσι, για τη ζώνη συχνοτήτων των alpha waves παράγονται στις εξόδους των αντίστοιχων εξαγωγέων τα σήματα που σημειώνονται ως α 1 και α 2. Ομοίως, τα υπόλοιπα ζευγάρια εξαγωγέων δίνουν τα σήματα γ 1 και γ 2, θ 1 και θ 2. Κάθε ζεύγος σημάτων συγκρίνεται με τη βοήθεια ενός συγκριτή (comparator). Οι συγκριτές είναι έτσι διασυνδεμένοι, έτσι ώστε να παράγεται λογικό "1" στην έξοδό τους στην περίπτωση όπου ισχύουν οι συνθήκες α 1 < α 2, γ 1 < γ 2, και θ 1 > θ 2. Επειδή αυτές οι συνθήκες πρέπει να ισχύουν ταυτόχρονα και αντιστοιχούν σε περίπτωση εμβοής θα πρέπει οι έξοδοι των συγκριτών να συνδεθούν με μια πύλη AND. 2.5 Ανασκόπηση βιβλιογραφίας Στη βιβλιογραφία έχει ήδη δημοσιευθεί ένα σύστημα ανίχνευσης εμβοών [8]. Τα απαιτούμενα ζωνοπερατά και βαθυπερατά φίλτρα έχουν πραγματοποιηθεί με τη χρήση τελεστικών ενισχυτών διαγωγιμότητας (Operational Transconductance Amplifiers-OTAs). Αν και τα κυκλώματα των OTAs είναι απλά, η υλοποίηση αυτή έχει το μειονέκτημα, ότι γίνεται χρήση της διαγωγιμότητας του transistor (g m ), η οποία είναι παράμετρος που χαρακτηρίζει τη λειτουργία μικρού σήματος. Δηλαδή, θα πρέπει τα σήματα τα οποία επεξεργάζονται από το σύστημα να έχουν μέγεθος πολύ μικρότερο των αντίστοιχων ρευμάτων ή τάσεων πόλωσης. Ο απαιτούμενος τετραγωνιστής υλοποιείται από ένα κύκλωμα που παράγει ρεύμα το οποίο έχει εξάρτηση που περιγράφεται από μια συνάρτηση υπερβολικού συνημιτόνου με τις τάσεις που εφαρμόζονται στην είσοδό του. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να ισχύει και πάλι ο περιορισμός της λειτουργίας σε περιβάλλον μικρού σήματος. Επίσης, επειδή τα σήματα που διαχειρίζεται το ήδη δημοσιευμένο κύκλωμα είναι τάσεις, ο απαιτούμενος συγκριτής τάσεων έχει σχετικά πολύπλοκη δομή. Το σύστημα έχει σχεδιαστεί και επαληθευτεί στο περιβάλλον του λογισμικού Cadence με τη βοήθεια του Design Kit που παρέχεται από την τεχνολογία AMS CMOS C μm. Η τάση λειτουργίας του συστήματος είναι 1V και η καταναλισκόμενη ισχύς είναι 60nW. 28

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου 3.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται η παρουσίαση της αρχής λειτουργίας των κυκλωμάτων συμπίεσης-αποσυμπίεσης. Αρχικά δίνεται η γενική λειτουργία και στη συνέχεια παρουσιάζονται τα κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Για το σκοπό αυτό δίνονται τα κυκλώματα των μη-γραμμικών διαγωγών, τα οποία χρησιμεύουν για την υλοποίηση ολοκληρωτών με και χωρίς απώλειες. Οι ολοκληρωτές που παρουσιάζονται αναλύονται από πλευράς λειτουργίας και επίσης δίνονται οι αντίστοιχες απλοποιημένες τοπολογίες. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η κυκλωματική υλοποίηση των μη-γραμμικών διαγωγών, η οποία γίνεται με τη χρήση MOS transistors στην περιοχή υποκατωφλίου. Τα παραπάνω θα αποτελέσουν τα βασικά δομικά στοιχεία για τη σύνθεση φίλτρων ανώτερης τάξης στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. 29

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου 3.2 Περιγραφή συστημάτων συμπίεσης/αποσυμπίεσης Στο Σχήμα 3.1 φαίνεται η γενική τοπολογία ενός κλασικού γραμμικού συστήματος, όπου τα σήματα εισόδου και εξόδου είναι ρεύματα. linear system i IN T(s) i OUT Σχήμα 3.1. Κλασικό γραμμικό σύστημα με είσοδο και έξοδο ρεύμα. Η σχέση μεταξύ εισόδου και εξόδου περιγράφεται από τη συνάρτηση μεταφοράς Τ(s) σύμφωνα με τη σχέση 3.1. i OUT = T(s) i IN (3.1) Τα τελευταία χρόνια αναπτύχθηκε μια νέα τεχνική όπου γίνεται επεξεργασία συμπιεσμένων (μη γραμμικών) σημάτων, αντί για τα κλασικά γραμμικά σήματα. Η τεχνική αυτή είναι γνωστή ως τεχνική συμπίεσης-αποσυμπίεσης (companding technique) [9]-[11]. Η βασική ιδέα παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.2. linear system companding core i IN compression υ ΙΝ T(s) υ OUT expansion i OUT Σχήμα 3.2. Υλοποίηση του συστήματος στο σχήμα 3.1 με την τεχνική συμπίεσης-αποσυμπίεσης. Σύμφωνα με την τεχνική αυτή το ρεύμα που εισάγεται στο σύστημα συμπιέζεται μέσω ενός τελεστή και μετατρέπεται σε μια συμπιεσμένη τάση. Στη συνέχεια, επεξεργάζεται από τον 30

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου πυρήνα του συστήματος και εξάγεται μια συμπιεσμένη τάση στην έξοδο αυτού. Η συμπιεσμένη αυτή τάση αποσυμπιέζεται μέσω ενός τελεστή και μετατρέπεται σε γραμμικό ρεύμα στην έξοδο. Ανάλογα με το πώς υλοποιούνται οι τελεστές συμπίεσης και αποσυμπίεσης διακρίνουμε τρεις κατηγορίες κυκλωμάτων συμπίεσης-αποσυμπίεσης. α) κυκλώματα στο πεδίο του λογαρίθμου (Log-Domain circuits), όπου η υλοποίηση του τελεστή στηρίζεται στην εκθετική σχέση μεταξύ του ρεύματος και της τάσης σε ένα διπολικό transistor ή ενός MOS transistor που λειτουργεί στην περιοχή υποκατωφλίου [12]-[17], β) κυκλώματα στο πεδίο της τετραγωνικής ρίζας (Square Root- Domain circuits), όπου η υλοποίηση του τελεστή στηρίζεται στην τετραγωνική σχέση μεταξύ ρεύματος και τάσης σε ένα MOS transistor [18]-[20] και (γ) στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, όπου η υλοποίηση του τελεστή στηρίζεται στην εκθετική σχέση μεταξύ του ρεύματος και της τάσης σε ένα διπολικό transistor ή ενός MOS transistor που λειτουργεί στην περιοχή υποκατωφλίου [21]-[35]. Η τελευταία αυτή κατηγορία θα παρουσιαστεί στην επόμενη παράγραφο καθώς θα εφαρμοστεί στα πλαίσια της εργασίας αυτής. Ο κύριος λόγος είναι ότι τα κυκλώματα υπερβολικού ημιτόνου έχουν ενσωματωμένη λειτουργία σε τάξη-αβ και αυτό επιτρέπει την εφαρμογή ρευμάτων εισόδου πολύ μεγαλύτερων του ρεύματος πόλωσης. 3.3 Περιγραφή συστημάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Στην ειδική περίπτωση που η συμπίεση και η αποσυμπίεση του σήματος στηρίζονται σε μία σχέση υπερβολικού ημιτόνου μεταξύ ρεύματος και τάσης, το σύστημα περιγράφεται από το διάγραμμα που φαίνεται στο Σχήμα 3.3. linear system Sinh-Domain core i IN SINH -1 υ ΙΝ T(s) υ OUT SINH i OUT Σχήμα 3.3. Υλοποίηση του συστήματος στο Σχήμα 3.2 με την τεχνική συμπίεσης-αποσυμπίεσης στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. 31

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Οι τελεστές που απαιτούνται για τη συμπίεση του ρεύματος και αποσυμπίεση της τάσης με σκοπό τη διατήρηση της συνολικής γραμμικότητας του συστήματος περιγράφονται από τις σχέσεις (3.2)-(3.3) [32]-[33], [35]. i = SINH(υ ) 2I 0 sinh υ V DC nv T (3.2) υ = SINH 1 (i) V DC + nv T sinh 1 i 2I 0 (3.3) Στις σχέσεις (3.2)-(3.3) Ι o είναι ένα συνεχές ρεύμα, V DC είναι μία συνεχής τάση, V T η γνωστή θερμική τάση ( 26mV), και n ο συντελεστής κλίσης στην περιοχή υποκατωφλίου (subthreshold slope-factor) που κυμαίνεται από τιμές 1 έως 3. Η προσθήκη της περισπωμένης (^) (circumflex) στις μεταβλητές υποδηλώνει συμπιεσμένα σήματα και αυτός ο συμβολισμός θα ακολουθηθεί σε όλη την εργασία. 3.4 Μη γραμμικοί διαγωγοί Για την υλοποίηση των τελεστών που αναφέρθηκαν παραπάνω απαιτείται η χρήση των μηγραμμικών διαγωγών που φαίνονται στο Σχήμα 3.4. υˆ IN1 υˆ IN2 + - s I o i OUT i OUT υˆ IN1 + υˆ IN2 - C I o i OUT (α) (β) 32

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου υˆ IN1 υˆ IN2 + - S/C I o S C i S i C υˆ IN1 υˆ IN2 + - I o S/S/C S S C i S i S i C (γ) (δ) Σχήμα 3.4. Μη-γραμμικοί διαγωγοί με έξοδο (α) υπερβολικό ημίτονο, (β) υπερβολικό συνημίτονο, (γ) υπερβολικό ημίτονο/συνημίτονο (δ), υπερβολικό ημίτονο/ανεστραμμένο ημίτονο/υπερβολικό συνημίτονο. Η έκφραση του ρεύματος για την έξοδο υπερβολικού ημιτόνου δίνεται από τη σχέση (3.4) ενώ για την έξοδο υπερβολικού συνημιτόνου από τη σχέση (3.5) i OUT = 2I 0 sinh υ 1 υ 2 nv T (3.4) i OUT = 2I 0 cosh υ 1 υ 2 nv T (3.5) Η υλοποίηση του τελεστή SINH φαίνεται στο Σχήμα 3.5α, όπου η έκφραση για το ρεύμα εξόδου δίνεται από τη σχέση (3.6). i OUT = 2I 0 sinh υ OUT V DC nv T (3.6) Συγκρίνοντας τις σχέσεις 3.2 και 3.4 βλέπουμε ότι υλοποιείται ο τελεστής SINH. 33

34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου I o I o υˆ OUT + - S i OUT V DC + - S i i in υˆ ΙΝ V DC (α) (β) Σχήμα 3.5. Υλοποίηση τελεστή (α) SINH, (β) SINH -1 Η υλοποίηση του τελεστή SINH 1 φαίνεται στο Σχήμα 3.5β. Σύμφωνα με τον κανόνα του Kirchhoff, λόγω του ότι δεν μπορεί να εισαχθεί ρεύμα στην είσοδο του διαγωγού, πρέπει να ισχύει η σχέση (3.7) όπου το ρεύμα i δίνεται από τη σχέση (3.8) ως i + i ΙΝ = 0 (3.7) i = 2I 0 sinh V DC υ IN nv T (3.8) Συνεπώς, για τη συμπιεσμένη τάση υ IN λαμβάνουμε τη σχέση (3.9), η οποία περιγράφει την υλοποίηση του τελεστή SINH 1. υ IN = V DC + nv T sinh 1 i (3.9) 2I 0 Ένα πολύ σημαντικό κύκλωμα που θα χρησιμοποιηθεί στα πλαίσια αυτής εργασίας είναι ο διαιρέτης ρεύματος δύο τεταρτημορίων (two-quadrant divider) και θα υλοποιηθεί με τη χρήση των τελεστών που προαναφέραμε. Με το κύκλωμα αυτό είναι δυνατό να λάβουμε ένα ρεύμα εξόδου που θα ορίζεται ως το πηλίκο δύο ρευμάτων i 1 και i 2 πολλαπλασιασμένο με ένα συνεχές ρεύμα πόλωσης. Μοναδικός περιορισμός για την υλοποίηση αυτού του κυκλώματος αποτελεί η πολικότητα των ρευμάτων καθώς το ένα από τα δύο ρεύματα απαιτείται να είναι θετικό, ενώ το άλλο μπορεί να είναι οποιασδήποτε πολικότητας. Ο διαιρέτης ρεύματος θα αποτελέσει 34

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου απαραίτητο στοιχείο για τη σχεδίαση των ολοκληρωτών που θα παρουσιαστούν παρακάτω και κατ επέκταση των φίλτρων που θα χρησιμοποιηθούν για την υλοποίηση του συστήματος. Η κυκλωματική του υλοποίηση φαίνεται στο Σχήμα 3.6. i 1 i 2 i 1 + V DC - s υˆ + - s I bias i OUT i 2 2Q I bias i OUT (α) (β) Σχήμα 3.6. Διαιρέτης ρεύματος 2 τεταρτημορίων(α) τοπολογία, (β) σύμβολο. Σύμφωνα με όσα έχουν αναφερθεί στα προηγούμενα, η συμπιεσμένη τάση και το ρεύμα στην έξοδο περιγράφονται από τις σχέσεις (3.10) και (3.11) αντίστοιχα. υ = V DC + nv T sinh 1 i 1 2i 2 (3.10) Αντικαθιστώντας την (3.10) στην (3.11) προκύπτει ότι i OUT = 2I bias sinh υ V DC nv T (3.11) i OUT = 2I bias sinh sinh 1 i 1 2i 2 i OUT = I bias i 1 i 2 (3.12) 35

36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου 3.5 Ολοκληρωτές στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Ολοκληρωτές χωρίς απώλειες στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Ένας ολοκληρωτής ρεύματος χωρίς απώλειες (lossless integrator) στο γραμμικό πεδίο περιγράφεται από την παρακάτω σχέση: τ d i dt OUT = i IN (3.13) όπου τ η σταθερά χρόνου του ολοκληρωτή. Από την (3.2) προκύπτει ότι η σχέση (3.13) μπορεί να γραφεί ως εξής: ή ισοδύναμα τ d dt [SINH(υ OUT )] = SINH(υ IN ) (3.14) τ d 2I dt 0 sinh υ OUT V DC = 2I nv 0 sinh υ IN V DC (3.15) T nv T Εκτελώντας αλγεβρικές πράξεις και θεωρώντας ότι η σταθερά χρόνου τ δίνεται από την σχέση τ = C nv T 2I O, το ρεύμα που διαρρέει το πυκνωτή ολοκλήρωσης δίνεται από τη σχέση (3.16) ως: i C = C dυ OUT dt sinh υ IN VDC nv = 2I T O cosh υ OUT V DC nv T (3.16) Η υλοποίηση της σχέσης (3.16) γίνεται από την τοπολογία που φαίνεται στο Σχήμα 3.7, όπου είναι εμφανής η χρήση του διαιρέτη ρεύματος που περιγράφεται από τη σχέση (3.12) και η υλοποίηση των ρευμάτων i 1 και i 2 γίνεται με τη χρήση των μη γραμμικών διαγωγών που υλοποιούν τα S cell και C cell αντίστοιχα. Επίσης, έχουν προστεθεί τα κυκλώματα που είναι απαραίτητα για τη συμπίεση του ρεύματος εισόδου και την αποσυμπίεση της τάσης εξόδου αντίστοιχα. 36

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Ένα σημαντικό πλεονέκτημα των ολοκληρωτών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου είναι ότι η σταθερά χρόνου είναι ηλεκτρονικά ελεγχόμενη δια μέσου του ρεύματος πόλωσης Ι o. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δυνατότητα αντιστάθμισης της επίδρασης των μη ιδανικών χαρακτηριστικών των στοιχείων στην απόκριση συχνότητας του κυκλώματος. Ένα άλλο ενδιαφέρον χαρακτηριστικό είναι η χρήση γειωμένου πυκνωτή και αυτό γιατί εξαλείφεται η επίδραση των παρασιτικών χωρητικοτήτων του στις υψηλές συχνότητες. SINH -1 core SINH V DC + - S I o i IN υˆ ΙΝ S C I o I o 2Q 2I o i C υˆ OUT ˆ C + - S I o i OUT Σχήμα 3.7. Τοπολογία ολοκληρωτή χωρίς απώλειες στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Το παραπάνω κύκλωμα μπορεί να απλοποιηθεί σημαντικά θεωρώντας τα εξής: (α) Η συμπιεσμένη τάση εισόδου οδηγεί ένα S cell το οποίο είναι συνδεδεμένο έτσι ώστε να υλοποιεί την αποσυμπίεσή της σύμφωνα με τη σχέση (3.2). Η συμπληρωματικότητα των τελεστών που φαίνεται από τις σχέσεις (3.2) και (3.3) έχει ως αποτέλεσμα το ρεύμα εισόδου να μπορεί να τροφοδοτήσει απ ευθείας την μια από τις δύο εισόδους του διαιρέτη δύο τεταρτημορίων. (β) Η λειτουργία του S cell που υλοποιεί την αποσυμπίεση της τάσης εξόδου μπορεί να ενσωματωθεί στο C cell του ολοκληρωτή επειδή οι είσοδοί του τροφοδοτούνται από τις ίδιες ακριβώς τάσεις. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αντικατάσταση των δυο cells από ένα S/C cell. Τα παραπάνω φαίνονται στο σχήμα 3.8, όπου δίνεται η απλοποιημένη δομή ενός ολοκληρωτή χωρίς απώλειες στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. 37

38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου i IN 2I o V DC + - I o S/C C S i OUT 2Q ˆ C Σχήμα 3.8. Απλοποιημένη τοπολογία ολοκληρωτή χωρίς απώλειες στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Στην περίπτωση ενός ολοκληρωτή χωρίς απώλειες, ο οποίος υλοποιεί και την αφαίρεση δύο ρευμάτων, η έκφραση του ρεύματος εξόδου είναι τ d dt i OUT = i IN1 i IN2 (3.17) Η σχέση (3.17) μπορεί να γραφεί με χρήση της (3.2), όπως φαίνεται στη σχέση (3.18). τ d dt [SINH(υ OUT )] = SINH(υ IN1 ) SINH(υ IN2) (3.18) Επαναλαμβάνοντας την προηγούμενη αλγεβρική ανάλυση, η έκφραση για το ρεύμα του πυκνωτή είναι αυτή που φαίνεται στη σχέση (3.19) sinh υ IN1 VDC nv i C = 2I T O sinh υ IN2 V DC nv T cosh υ OUT V DC nv T (3.19) Το πλήρες κύκλωμα που υλοποιεί τη σχέση (3.19) φαίνεται στο Σχήμα 3.9 και ακολουθώντας την προηγούμενη διαδικασία απλοποίησης, το απλοποιημένο κύκλωμα είναι αυτό που φαίνεται στο Σχήμα

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου V DC + - S I o i IN1 υˆ ΙΝ1 + - S I o + - S I o i IN2 υˆ ΙΝ S C I o I o 2Q 2I o i C υˆ OUT Cˆ + - S I o i OUT Σχήμα 3.9. Τοπολογία ολοκληρωτή δύο εισόδων χωρίς απώλειες στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. i IN1 i IN2 2I o V DC + - I o S/C C S i OUT 2Q ˆ C Σχήμα Απλοποιημένη τοπολογία ολοκληρωτή δύο εισόδων χωρίς απώλειες στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. 39

40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Ολοκληρωτές με απώλειες στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Ένας ολοκληρωτής ρεύματος με απώλειες (lossy integrator) στο γραμμικό πεδίο περιγράφεται από την παρακάτω σχέση: τ d i dt OUT = i IN i OUT (3.20) όπου τ η σταθερά χρόνου του ολοκληρωτή. Από την (3.2) προκύπτει ότι η σχέση (3.20) μπορεί να γραφεί ως εξής: ή ισοδύναμα τ d dt [SINH(υ OUT )] = SINH(υ IN ) SINH(υ OUT ) (3.21) τ d dt 2I 0 sinh υ OUT V DC nv T = 2I 0 sinh υ IN V DC 2I 0 sinh υ OUT V DC (3.22) nv T nv T Εκτελώντας αλγεβρικές πράξεις και θεωρώντας ότι η σταθερά χρόνου τ δίνεται από την σχέση τ = C nv T 2I O, το ρεύμα που διαρρέει το πυκνωτή ολοκλήρωσης δίνεται από τη σχέση (3.23) ως: i C = C dυ OUT dt sinh υ IN VDC nv = 2I T O sinh υ OUT V DC nv T cosh υ OUT V DC nv T (3.23) Η υλοποίηση της σχέσης (3.23) γίνεται από την τοπολογία που φαίνεται στο Σχήμα 3.11, όπου επίσης έχουν προστεθεί τα κυκλώματα που είναι απαραίτητα για τη συμπίεση του ρεύματος εισόδου και την αποσυμπίεση της τάσης εξόδου αντίστοιχα. 40

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου SINH -1 core SINH V DC + - S I o i IN υˆ ΙΝ S I o S/C I o S C 2Q 2I o i C υˆ OUT ˆ C + - S I o i OUT Σχήμα Τοπολογία ολοκληρωτή με απώλειες στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Συγκρίνοντας τις τοπολογίες που φαίνονται στα σχήματα 3.7 και 3.11 προκύπτει ότι ο ολοκληρωτής με απώλειες μπορεί να υλοποιηθεί από το κύκλωμα του ολοκληρωτή χωρίς απώλειες αντικαθιστώντας το S cell με ένα S/C cell. Ακολουθώντας την προηγούμενη διαδικασία απλοποίησης, το απλοποιημένο κύκλωμα είναι αυτό που φαίνεται στο Σχήμα i IN 2I o - + I o S/S/C S C S 2Q ˆ C V DC i OUT Σχήμα Απλοποιημένη τοπολογία ολοκληρωτή με απώλειες στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. 41

42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Στο σχήμα 3.12 έχει χρησιμοποιηθεί S'/C cell αντί για S/C cell με σκοπό να διατηρηθεί η φορά του ρεύματος εξόδου. Στην περίπτωση ενός ολοκληρωτή δύο εισόδων με απώλειες το πλήρες κύκλωμα φαίνεται στο Σχήμα V DC + - S I o i IN1 υˆ ΙΝ1 + - S I o + - S I o i IN2 υˆ ΙΝ2 + - S I o I o - S + S/C C 2Q 2I o i C υˆ OUT Cˆ + - S I o i OUT Σχήμα Τοπολογία ολοκληρωτή δύο εισόδων με απώλειες στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Οι σχέσεις που περιγράφουν τη λειτουργία του είναι οι (3.24)-(3.26) τ d dt i OUT = i IN1 i IN2 i OUT (3.24) τ d dt [SINH(υ OUT )] = SINH(υ IN1 ) SINH(υ IN2 ) SINH(υ OUT ) (3.25) i C = C dυ OUT dt sinh υ IN1 VDC nv = 2I T O sinh υ IN2 V DC sinh υ OUT V DC nv T nv T cosh υ OUT V DC nv T (3.26) 42

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Το απλοποιημένο κύκλωμα φαίνεται στο Σχήμα i IN1 i IN2 2I o - + I o S/S/C S C S 2Q ˆ C V DC i OUT Σχήμα Απλοποιημένη τοπολογία ολοκληρωτή δύο εισόδων με απώλειες στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. 3.6 Υλοποίηση μη-γραμμικών διαγωγών με MOS transistor στην περιοχή υποκατωφλίου Οι μη-γραμμικοί διαγωγοί (S και C cells) που περιγράφηκαν προηγουμένως μπορούν να υλοποιηθούν είτε από διπολικά transistors είτε από MOS transistors στην περιοχή υποκατωφλίου. Λόγω του ότι στην παρούσα εργασία θα γίνει ανάπτυξη κυκλωμάτων για βιοϊατρικές εφαρμογές, όπου απαιτούνται πολύ μεγάλες σταθερές χρόνου (γιατί τα προς επεξεργασία σήματα έχουν χαμηλές συχνότητες) θα χρησιμοποιηθούν MOS transistors στην περιοχή υποκατωφλίου επειδή μπορούν να μας δώσουν πολύ μικρές τιμές διαγωγιμότητας. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι η διαγωγιμότητα για το MOS transistor στην περιοχή υποκατωφλίου δίνεται από τη σχέση g m = I o nv T και, επομένως, το ρεύμα της πόλωσης είναι της τάξης των pa. Ένας άλλος σημαντικός λόγος είναι ότι η χρήση του MOS transistor στην περιοχή υποκατωφλίου επιτρέπει τη χρήση εξαιρετικά χαμηλών τάσεων τροφοδοσίας (<1V) και 43

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου σε συνδυασμό με τα πολύ μικρά ρεύματα πόλωσης δίνεται η δυνατότατα για την υλοποίηση κυκλωμάτων με εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Η συνθήκη που πρέπει να ικανοποιεί η τάση πύλης-πηγής (V GS ) σε ένα nmos transistor για να λειτουργεί στην περιοχή υποκατωφλίου είναι [2]: V GS V th < 0.1V (3.27) όπου V th είναι η τάση κατωφλίου (threshold voltage). Η συνθήκη που πρέπει να ικανοποιεί η τάση απαγωγού-πηγής (V DS ) σε ένα nmos transistor για να λειτουργεί στην περιοχή υποκατωφλίου είναι: όπου V T η θερμική τάση. V DS > 4V T (3.28) Οι αντίστοιχες συνθήκες για ένα pmos transistor είναι οι (3.29) και (3.30), αντίστοιχα. V SG V th < 0.1V (3.29) V SD > 4V T (3.30) Στην περίπτωση όπου ικανοποιούνται οι σχέσεις (3.27)-(3.30) η έκφραση του ρεύματος για το nmos transistor δίνεται στην σχέση (3.31) V GS I D = I s. env T (3.31) 44

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Το ρεύμα κορεσμού I s ορίζεται από τη σχέση (3.32) I s = 2nμ n C ox V T 2 W L e V th nv T (3.32) όπου C ox είναι η χωρητικότητα του οξειδίου του πυριτίου, μ n είναι η ευκινησία των φορέων, και W/L είναι ο λόγος του εύρους καναλιού (W) προς το μήκος (L) του nmos transistor. Για το pmos transistor, η έκφραση του ρεύματος δίνεται από την (3.33) V SG I D = I s. env T (3.33) όπου το ρεύμα κορεσμού I s ορίζεται από τη σχέση (3.34) και μ p είναι η ευκινησία των φορέων του pmos transistor. I s = 2nμ p C ox V T 2 W L e V th nv T (3.34) Χρησιμοποιώντας MOS transistors στην περιοχή υποκατωφλίου, η τοπολογία ενός S cell φαίνεται στο Σχήμα V DD M p7 M p8 M p5 B A M p6 i 1 υˆ IN2 M p1 M p2 M p3 M p4 υˆ IN1 i OUT i 1 i 2 i 2 M n1 M n2 I o I o M n3 M n4 Σχήμα Τοπολογία Scell με χρήση MOS transistors. 45

46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Σύμφωνα με τη σχέση (3.34) τα ρεύματα στα transistors Mp1-Mp4 δίνονται από τις (3.35)- (3.38). V Β υ ΙΝ2 I 1 = I s. e nv T (3.35) V Β υ ΙΝ1 I 0 = I s. e nv T (3.36) V Α υ ΙΝ2 I 0 = I s. e nv T (3.37) V Α υ ΙΝ1 I 2 = I s. e nv T (3.38) Διαιρώντας κατά μέλη τις (3.35) (3.36) και τις (3.37)-(3.38) προκύπτουν οι σχέσεις (3.39) και (3.40), αντίστοιχα. υ ΙΝ1 υ ΙΝ2 I 1 = I 0. e nv T (3.39) υ ΙΝ2 υ ΙΝ1 I 2 = I 0. e nv T (3.40) Λαμβάνοντας υπόψη ότι το ρεύμα εξόδου i OUT δίνεται από τη σχέση i OUT = I 1 I 2, τότε από τις (3.39)-(3.40) σύμφωνα με τον ορισμό για το υπερβολικό ημίτονο sinh(x) = ex e x, προκύπτει η έκφραση του ρεύματος εξόδου i OUT = 2I 0 sinh υ 1 υ 2 nv T, όπως αυτή περιγράφηκε από τη σχέση (3.4). 2 46

47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Στην περίπτωση που απαιτείται ένα S/C cell, η αντίστοιχη υλοποίηση φαίνεται στο Σχήμα V DD M p12 Mp13 M p6 M p5 M p8 M p9 M p10 i 1 i 1 i 2 υˆ IN2 M p1 M p2 M p3 M p4 υˆ IN1 i s i c i 1 i 2 i 2 M n1 M n2 I o I o M n3 M n4 M n5 Σχήμα Τοπολογία S/C cell με χρήση MOStransistors. Η έξοδος υπερβολικού συνημίτονου υλοποιείται από κατάλληλο κύκλωμα (χρήση καθρεπτών ρεύματος), έτσι ώστε i OUT = I 1 + I 2, όπου I 1 και I 2 δίνονται από τις σχέσεις (3.38) και (3.39) και η έκφραση για το ρεύμα εξόδου υλοποιείται με ανάλογο τρόπο, όπως περιγράφηκε για το υπερβολικό ημίτονο. Τέλος, στην περίπτωση που απαιτείται ταυτόχρονα και μια ανεστραμμένη έξοδος υπερβολικού ημιτόνου (S') αυτή μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη χρήση ενός καθρέπτη ρεύματος όπως αυτό φαίνεται στο Σχήμα V DD M p12 Mp13 M p6 M p5 M p7 M p8 M p9 M p10 M p11 i 1 i 1 i 1 i 2 i 2 υˆ IN2 M p1 M p2 M p3 M p4 υˆ IN1 i s i c i s i 1 i 2 i 2 M n1 M n2 I o I o M n3 M n4 M n5 M n6 M n7 Σχήμα Τοπολογία S/S'/C cell με χρήση MOS transistors. 47

48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου 48

49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου 4.1 Εισαγωγή Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζονται τοπολογίες φίλτρων 2 ης -τάξης στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain). Συγκεκριμένα, παρουσιάζεται ένα βαθυπερατό φίλτρο 2 ης -τάξης και ένα ζωνοπερατό φίλτρο 2 ης -τάξης. Στη συνέχεια δίνεται το κύκλωμα ενός διαχωριστή ρεύματος, καθώς και το κύκλωμα ενός πολλαπλασιαστή ρεύματος τεσσάρων τεταρτημορίων. Η σχεδίαση των τοπολογιών έγινε με το Virtuoso Schematic Editor και η μελέτη της συμπεριφοράς και των επιδόσεων τους έγινε με το Virtuoso Analog Design Environment. Τα μοντέλα των MOS transistor που χρησιμοποιήθηκαν είναι αυτά της τεχνολογίας AMS CMOS C µm. 49

50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου 4.2 Σχεδίαση βαθυπερατού φίλτρου 2 ης - τάξης στο πεδίου του υπερβολικού ημιτόνου Τοπολογία του φίλτρου Στο Σχήμα 4.1 φαίνεται το μπλοκ διάγραμμα λειτουργίας ενός βαθυπερατού φίλτρου 2 ης -τάξης, με χρήση βρόχου ολοκληρωτών. i IN 1 τ 1 s+1 1 τ 2 s i LP i LP Σχήμα 4.1. Μπλοκ διάγραμμα λειτουργίας βαθυπερατού φίλτρου 2 ης -τάξης. Η συνάρτηση μεταφοράς του κυκλώματος δίνεται από τη σχέση (4.1). H LP (s) = ω 0 2 s 2 + ω 0 Q +ω 0 2 (4.1) Η συχνότητα ω0 και ο συντελεστής ποιότητας Q δίνονται από τις σχέσεις (4.2) και (4.3) αντίστοιχα: ω 0 = 1 τ 1 τ 2 (4.2) Q = τ 1 τ 2 (4.3) Το διάγραμμα του Σχήματος (4.1) θα υλοποιηθεί με τη χρήση ολοκληρωτών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου και η δομή που προκύπτει φαίνεται στο Σχήμα (4.2). 50

51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου i IN 2I o 2I o V DC - + I o S/S/C S C S 2Q ˆ C I o S/S/C C S S i LP i LP 2Q ˆ C 2 Σχήμα ης -τάξης βαθυπερατό φίλτρο στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η σταθερά χρόνου των ολοκληρωτών δίνεται από τη σχέση τ = C nv T 2I O τότε από τις (4.2) και (4.3) προκύπτει ότι: ω 0 = 2I 0 nv T 1 C 1C 2 (4.4) Q = C 1 C 2 (4.5) Αποτελέσματα εξομοίωσης Η συμπεριφορά του κυκλώματος που φαίνεται στο Σχήμα 4.2 θα μελετηθεί στο περιβάλλον Virtuoso Analog Design Environment. Τα μοντέλα transistor που θα χρησιμοποιηθούν είναι αυτά της τεχνολογίας AMS CMOS C μm. Επιλέγεται τάση τροφοδοσίας V DD = 0.5V και τάση αναφοράς V DC = 0.1V. Το ρεύμα πόλωσης I o έχει τιμή 100pΑ. Η υλοποίηση των μη-γραμμικών διαγωγών θα γίνει με τις τοπολογίες που δόθηκαν στο προηγούμενο Κεφάλαιο. Στο Σχήμα 4.3 φαίνεται η πλήρης τοπολογία ενός S cell (Σχήμα 3.15), όπου έχει προστεθεί και η υλοποίηση της πόλωσης. Οι διαστάσεις των transistors έτσι ώστε αυτά να λειτουργούν στην περιοχή υποκατωφλίου δίνονται στον Πίνακα

52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου V DD M p7 M p8 I o M p5 B A M p6 i 1 υˆ IN2 M p1 M p2 M p3 M p4 υˆ IN1 i OUT i 1 i 2 i 2 M n5 M n1 M n2 M n7 M n3 M n4 M n6 Σχήμα 4.3. Πλήρες κύκλωμα Scell. ΠΙΝΑΚΑΣ 4.1 Διαστάσεις transistorδιαγωγών Transistor W/L (μm/μm) M p1 -M p4 60/1 M p5 -M p6 60/1 M p7 -M p8 20/0.4 M n1 -M n4 8/1 M n5 -M n7 8/1 52

53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου H τοπολογία του φίλτρου (1 ο επίπεδο ιεραρχίας), σε επίπεδο σχηματικού, με το εργαλείο Virtuoso Schematic Editor φαίνεται στο Σχήμα 4.4. Σχήμα 4.4. Σχηματικό για το βαθυπερατό φίλτρο 2 ης -τάξης (1 ο επίπεδο ιεραρχίας) με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. H τοπολογία σε 2 ο επίπεδο ιεραρχίας φαίνεται στο Σχήμα 4.5, όπου το φίλτρο υλοποιείται με χρήση βρόχου ολοκληρωτών. Η απαιτούμενη πόλωση των ολοκληρωτών υλοποιείται με χρήση καθρεπτών ρεύματος με nmos και pmos transistors με διαστάσεις 8μm/1μm και 20μm/1μm αντίστοιχα. Αυτή η τοπολογία πόλωσης θα ακολουθηθεί και σε όλες τις επόμενες βαθμίδες. 53

54 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Σχήμα 4.5. Σχηματικό για το βαθυπερατό φίλτρο 2 ης -τάξης (2 ο επίπεδο ιεραρχίας) με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. Η τοπολογία του ολοκληρωτή με απώλειες φαίνεται στο Σχήμα 4.6, ενώ η τοπολογία του ολοκληρωτή χωρίς απώλειες φαίνεται στο Σχήμα 4.7. Σχήμα 4.6. Σχηματικό για τον ολοκληρωτή με απώλειες με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. 54

55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Σχήμα 4.7. Σχηματικό για τον ολοκληρωτή χωρίς απώλειες με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. Και στα δύο κυκλώματα ο απαιτούμενος διαιρέτης ρεύματος δύο τεταρτημορίων υλοποιήθηκε, σε επίπεδο σχηματικού, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.8. Σχήμα 4.8. Σχηματικό για τον διαιρέτη ρεύματος δύο τεταρτημορίων με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. 55

56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Οι υλοποιήσεις των απαιτούμενων μη γραμμικών διαγωγών φαίνονται στα Σχήματα Σχήμα4.9. Σχηματικό για το S cell με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. Σχήμα Σχηματικό για το S/S'/C cell με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. Οι προδιαγραφές του φίλτρου είναι f o = 50Hz και Q = 2. Από τις σχέσεις (4.4)-(4.5) οι τιμές των πυκνωτών που προκύπτουν είναι: C 1 = 37.6pF και C 2 = 9.4pF. Η κατανάλωση ισχύος του φίλτρου είναι 3.72nW. Η απόκριση συχνότητας του φίλτρου φαίνεται στο Σχήμα 4.11, όπου επίσης δίνονται και οι αντίστοιχες αποκρίσεις για Ιο = 5pA, 10pA, 25pA, και 50pA. Από το Σχήμα 4.11 αποδεικνύεται η δυνατότητα ηλεκτρονικής ρύθμισης (electronic tuning) της απόκρισης συχνότητας των φίλτρων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. 56

57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Σχήμα Αποκρίσεις συχνότητας 2 ης -τάξης βαθυπερατού φίλτρου. Η γραμμικότητα του κυκλώματος μελετήθηκε με την εφαρμογή ενός ημιτονικού σήματος εισόδου συχνότητας 10Hz και μεταβλητού πλάτους. Με χρήση της Periodic Steady State (PSS) ανάλυσης προκύπτει το γράφημα που φαίνεται στο Σχήμα 4.12, όπου στάθμη αρμονικής παραμόρφωσης (Total Harmonic Distortion - THD) ίση με 2% παρατηρείται για πλάτος σήματος 325pA. Σχήμα Αρμονική παραμόρφωση (THD) σε συνάρτηση με το πλάτος του σήματος εισόδου. 57

58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Ο θόρυβος ολοκληρώθηκε στο διάστημα της ζώνης διέλευσης του φίλτρου, και η ενεργός τιμή του θορύβου που αναφέρεται ως προς την είσοδο (input referred noise) είναι ίση με 0.91pA. Με βάση τα παραπάνω, η δυναμική περιοχή (Dynamic Range - DR) του φίλτρου υπολογίζεται ίση με 48dB. Η ευαισθησία του φίλτρου ως προς τις μεταβολές των τιμών των παραμέτρων της τεχνολογίας (process variation), καθώς και ως προς το μη απόλυτο ταίριασμα των παραμέτρων (mismatching) των transistors, μελετήθηκε με την βοήθεια της Monte-Carlo ανάλυσης. Τα αποτελέσματα φαίνονται στο Σχήμα 4.13, όπου η τυπική απόκλιση για την ενίσχυση στις χαμηλές συχνότητες είναι 0.07 και για τη συχνότητα όπου εμφανίζεται η μέγιστη ενίσχυση είναι 6.3Ηz. (α) (β) Σχήμα Αποτελέσματα στατιστικής ανάλυσης για (α) την ενίσχυση στις χαμηλές συχνότητες, και (β) τη συχνότητα μέγιστης ενίσχυσης του βαθυπερατού φίλτρου. 58

59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου 4.3 Σχεδίαση ζωνοπερατού φίλτρου 2 ης τάξης στο πεδίου του υπερβολικού ημιτόνου Τοπολογία του φίλτρου Στο Σχήμα 4.14 φαίνεται το μπλοκ διάγραμμα λειτουργίας ενός ζωνοπερατού φίλτρου 2 ης -τάξης, με χρήση βρόχου ολοκληρωτών. i IN 1 τ 1 s+1 i BP 1 τ 2 s i BP Σχήμα Μπλοκδιάγραμμα λειτουργίας ζωνοπερατού φίλτρου 2 ης -τάξης Η συνάρτηση μεταφοράς του κυκλώματος δίνεται από τη σχέση (4.6). H BP (s) = ω0 Q s s 2 + ω 0 Q +ω 0 2 (4.6) Η συχνότητα ω0 και ο συντελεστής ποιότητας Q δίνονται από τις σχέσεις (4.2) και (4.3) καθώς και από τις (4.4) και (4.5), αντίστοιχα. Το διάγραμμα του Σχήματος 4.14 θα υλοποιηθεί με τη χρήση ολοκληρωτών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, και η δομή που προκύπτει φαίνεται στο Σχήμα i IN 2I o 2I o - + I o S/S/S/C S C i BP S S 2Q ˆ C I o S/C C S 2Q ˆ C 2 V DC i BP Σχήμα ης -τάξης ζωνοπερατό φίλτρο στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. 59

60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Αποτελέσματα εξομοίωσης Η συμπεριφορά του κυκλώματος που φαίνεται στο Σχήμα 4.15 θα μελετηθεί στο περιβάλλον Virtuoso Analog Design Environment. Τα μοντέλα transistor που θα χρησιμοποιηθούν είναι αυτά της τεχνολογίας AMS CMOS C μm. Επιλέγεται τάση τροφοδοσίας V DD = 0.5V και τάση αναφοράς V DC = 0.1V. Το ρεύμα πόλωσης I o έχει τιμή 100pA. Οι τιμές των διαστάσεων των transistors για τους διαγωγούς δίνονται στον Πίνακα 4.1. Οι προδιαγραφές του φίλτρου είναι f o = 50Ηz και Q = 2, οπότε οι τιμές των πυκνωτών είναι C 1 = 37.6pF και C 2 = 9.4pF. Η κατανάλωση ισχύος του φίλτρου είναι 3.72nW. H τοπολογία του φίλτρου (1 ο επίπεδο ιεραρχίας), σε επίπεδο σχηματικού, με το εργαλείο Virtuoso Schematic Editor φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα Σχηματικό για το ζωνοπερατό φίλτρο 2 ης -τάξης (1 ο επίπεδο ιεραρχίας) με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. 60

61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου H τοπολογία σε 2 ο επίπεδο ιεραρχίας φαίνεται στο Σχήμα 4.17, όπου το φίλτρο υλοποιείται με χρήση βρόχου ολοκληρωτών. Σχήμα Σχηματικό για το ζωνοπερατό φίλτρο 2 ης -τάξης (2 ο επίπεδο ιεραρχίας) με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. Η υλοποίηση, σε επίπεδο σχηματικού των δύο ολοκληρωτών, είναι σχεδόν η ίδια (εκτός της πρόσθεσης/αφαίρεσης κάποιων εξόδων) με αυτή που δίνεται στα Σχήματα 4.6 και 4.7. Ακόμα, η υλοποίηση του διαιρέτη ρεύματος δύο τεταρτημορίων είναι αυτή που δίνεται στο Σχήμα 4.8. Οι υλοποιήσεις των αιτούμενων μη γραμμικών διαγωγών φαίνονται στα Σχήματα 4.18 και Σχήμα Σχηματικό για το S/S'/S'/C cell με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. 61

62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Σχήμα Σχηματικό για το S/C cell με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. Η απόκριση συχνότητας του φίλτρου φαίνεται στο Σχήμα 4.20, όπου επίσης δίνονται και οι αντίστοιχες αποκρίσεις για Ι o = 10pA, 25pA, 50pA, 100pA, και 250pA. Από το Σχήμα 4.20 αποδεικνύεται η δυνατότητα ηλεκτρονικής ρύθμισης (electronic tuning) της απόκρισης συχνότητας των φίλτρων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Σχήμα Αποκρίσεις συχνότητας 2 ης -τάξης ζωνοπερατού φίλτρου. 62

63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Η γραμμικότητα του κυκλώματος μελετήθηκε με την εφαρμογή δύο ημιτονικών τόνων με συχνότητες 50Hz και 51Hz, και ίσου μεταβλητού πλάτους. Με χρήση της Periodic Steady State (PSS) ανάλυσης προκύπτει το γράφημα για την ενδοδιαμόρφωση 3 ης -τάξης (3 rd -order intermodulation distortion - IMD3) που φαίνεται στο Σχήμα 4.21, όπου το αναφερόμενο στην είσοδο 3 rd -order intercept point (input referred IP3-IIP3) είναι dBm. Σχήμα Γράφημα παραμόρφωσης για το ζωνοπερατό φίλτρο. Ο θόρυβος ολοκληρώθηκε στο διάστημα της ζώνης διέλευσης του φίλτρου, και η ενεργός τιμή του θορύβου που αναφέρεται ως προς την είσοδο είναι ίση με 0.5pA. Με βάση τα παραπάνω, η δυναμική περιοχή του φίλτρου υπολογίζεται ίση με 44.1dB. Η ευαισθησία του φίλτρου ως προς τις μεταβολές των τιμών των παραμέτρων της τεχνολογίας (process variation), καθώς και ως προς το μη απόλυτο ταίριασμα των παραμέτρων (mismatching) των transistors, μελετήθηκε με την βοήθεια της Monte-Carlo ανάλυσης. Τα αποτελέσματα φαίνονται στο Σχήμα 4.22, όπου η τυπική απόκλιση για την ενίσχυση στην κεντρική συχνότητα είναι 0.04 και για το εύρος ζώνης είναι 5.7Ηz. 63

64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (α) (β) Σχήμα Αποτελέσματα στατιστικής ανάλυσης για (α) την ενίσχυση στην κεντρική συχνότητα, και (β) το εύρος ζώνης του ζωνοπερατού φίλτρου. 64

65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου 4.4 Διαχωριστής ρεύματος (current splitter) Τοπολογία διαχωριστή Ένα σημαντικό κύκλωμα για την αναλογική επεξεργασία σήματος είναι το κύκλωμα του διαχωριστή ρεύματος. Ένα τέτοιο κύκλωμα φαίνεται στο Σχήμα V DD M p7 M p8 M p5 M p6 i IN M p9 I o V DC M p1 M p2 M p3 M p4 i IN1 i IN2 M n2 M n1 M n3 M n4 (α) i IN + - I o i IN1 i IN2 (β) Σχήμα Διαχωριστής ρεύματος (α) τοπολογία, (β) σύμβολο. 65

66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Τα transistors Mp1-Mp4 σχηματίζουν ένα διαγραμμικό βρόχο (translinear loop) και σύμφωνα με την αρχή της διαγραμμικότας (translinear principle) θα είναι: i Mp1 i Mp3 = i Mp2 i Mp4 (4.7) Λαμβάνοντας υπόψη ότι i MP1 = i MP3 = I 0, i MP2 = i OUT1, και i MP4 = i OUT2 η σχέση (4.7) μπορεί να γραφεί ως εξής I o 2 = i IN1 i IN2 (4.8) Εφαρμόζοντας τον κανόνα του Kirchhoff για τα ρεύματα στην πηγή του Mp2 θα ισχύσει ότι: i IN = i IN1 i IN2 (4.9) Από τις σχέσεις (4.8) και (4.9) προκύπτει ότι i IN1 = i IN + i 2 IN + 4I2 0 2 (4.10) i IN2 = i IN + i 2 2 IN +4I 0 2 (4.11) Σύμφωνα με τις σχέσεις (4.10)-(4.11) οι δύο έξοδοι του διαχωριστή είναι πάντα θετικές, δηλαδή η φορά των αντίστοιχων ρευμάτων είναι σταθερή. Συνεπώς, ο ρόλος του διαχωριστή είναι να διαχωρίζει ένα ρεύμα μεταβλητής φοράς σε δύο συνιστώσες που έχουν σταθερή φορά. Αυτές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως ρεύματα πόλωσης σε μη γραμμικούς διαγωγούς, και αυτό θα φανεί στην επόμενη παράγραφο για την περίπτωση ενός πολλαπλασιαστή. 66

67 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Αποτελέσματα εξομοίωσης Η συμπεριφορά του κυκλώματος που φαίνεται στο Σχήμα 4.23 θα μελετηθεί στο περιβάλλον Virtuoso Analog Design Environment. Τα μοντέλα transistor που θα χρησιμοποιηθούν είναι αυτά της τεχνολογίας AMS CMOS C μm. Επιλέγεται τάση τροφοδοσίας V DD = 0.5V και τάση αναφοράς V DC = 0.1V. Το ρεύμα πόλωσης I o έχει τιμή 100pΑ. Οι τιμές των διαστάσεων των transistors δίνονται στον Πίνακα 4.2. ΠΙΝΑΚΑΣ 4.2 Διαστάσεις transistorδιαχωριστή Transistor W/L (μm/μm) M p1 -M p4 600/1 M p5 -M p6 200/0.4 M p7 -M p9 20/1 M n1 -M n4 8/1 H τοπολογία του κυκλώματος (1 ο επίπεδο ιεραρχίας), σε επίπεδο σχηματικού, με το εργαλείο Virtuoso Schematic Editor φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα Σχηματικό για τον διαχωριστή (1 ο επίπεδο ιεραρχίας) με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. 67

68 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου H τοπολογία σε 2 ο επίπεδο ιεραρχίας φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα Σχηματικό για τον διαχωριστή (2 ο επίπεδο ιεραρχίας) με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. Η κατανάλωση ισχύος του διαχωριστή είναι 0.25nW. Η χαρακτηριστική μεταφοράς του διαχωριστή (DCχαρακτηριστική), φαίνεται στο Σχήμα 4.26, όπου επιβεβαιώνει και την ορθή λειτουργία του κυκλώματος σύμφωνα με τις σχέσεις (4.10)-(4.11). 68 Σχήμα 4.26.DCχαρακτηριστική του διαχωριστή.

69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Η συμπεριφορά του διαχωριστή στο πεδίο του χρόνου μελετήθηκε με την εφαρμογή ενός ημιτονικού σήματος με συχνότητα 50Hz και πλάτος 150pA. Οι κυματομορφές εισόδου και εξόδου φαίνονται στο Σχήμα 4.27, όπου επιβεβαιώνουν και την ορθή λειτουργία του κυκλώματος σύμφωνα με τις σχέσεις (4.10)-(4.11).. Σχήμα Κυματομορφές εισόδου και εξόδου του διαχωριστή. 4.5 Πολλαπλασιαστής 4 τεταρτημορίων (four quadrant multiplier) Τοπολογία πολλαπλασιαστή. Ένα κύκλωμα πολλαπλασιαστή τεσσάρων τεταρτημορίων (four-quadrant multiplier) είναι αυτό που φαίνεται στο Σχήμα 4.28 [34]-[35]. Το ρεύμα i 1 μπορεί να είναι είτε θετικό είτε αρνητικό, αφού τροφοδοτεί ένα S cell που είναι συνδεδεμένο έτσι ώστε να υλοποιεί μετατροπή (συμπίεση) του ρεύματος σε μη γραμμική τάση. Το ίδιο ισχύει και για το ρεύμα i 2, το οποίο τροφοδοτεί το διαχωριστή ρεύματος. Επομένως, και τα δύο ρεύματα μπορούν να είναι θετικά ή αρνητικά, και αυτός είναι ο λόγος που το κύκλωμα ονομάζεται πολλαπλασιαστής τεσσάρων τεταρτημορίων. 69

70 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου V DD I o V DC i S υˆ + - S i OUT1 i OUT I o I bias1 i current splitter I bias2 - + S i OUT2 (α) i 1 I o i OUT 4Q i 2 (β) Σχήμα Πολλαπλασιαστής τεσσάρων τεταρτημορίων (α) τοπολογία, (β) σύμβολο. Η λειτουργία του είναι η παρακάτω: το ρεύμα i 1 μετατρέπεται σε μια μη γραμμική τάση σύμφωνα με τη Σχέση (4.12) υ = V DC + nv T sinh 1 ( i 1 2I 0 ) (4.12) Η τάση αυτή μαζί με την τάση V DC τροφοδοτούν τις εισόδους των δύο S cells που βρίσκονται στη δεξιά πλευρά του Σχήματος Κάθε ένα από αυτά τα cells πολώνεται από τις αντίστοιχες εξόδους του διαχωριστή, οι οποίες δίνονται από τις σχέσεις (4.10) και (4.11) με i IN ίσο με i 2. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η έξοδος καθενός από τα S cells δίνεται από την έκφραση (4.13) i OUT(1,2) = 2I bias(1,2) sinh υ IN+ υ IN V T (4.13) 70

71 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου όπου το ρεύμα I bias δίνεται από τη σχέση (4.10) ή (4.11), και ότι το τελικό ρεύμα εξόδου είναι i OUT = i OUT1 i OUT2, τότε από τις σχέσεις (4.12) και (4.13) προκύπτει ότι το ρεύμα εξόδου δίνεται από την έκφραση της σχέσης (4.14). i OUT = i 1 i 2 I o (4.14) Να σημειωθεί ότι στην περίπτωση όπου i 1 = i 2 το κύκλωμα του πολλαπλασιαστή λειτουργεί ως τετραγωνιστής (squarer) ρεύματος και με αυτήν την ειδική περίπτωση θα χρησιμοποιηθεί στο επόμενο κεφάλαιο Αποτελέσματα εξομοίωσης Η συμπεριφορά του κυκλώματος του πολλαπλασιαστή θα μελετηθεί στο περιβάλλον Virtuoso Analog Design Environment. Τα μοντέλα transistors που θα χρησιμοποιηθούν είναι αυτά της τεχνολογίας AMS CMOS C μm. Επιλέγεται τάση τροφοδοσίας V DD = 0.5V και τάση αναφοράς V DC = 0.1V. Το ρεύμα πόλωσης I o έχει τιμή 100pΑ. Οι τιμές των διαστάσεων των transistors είναι αυτές που δόθηκαν στον Πίνακα 4.1. H τοπολογία του κυκλώματος (1 ο επίπεδο ιεραρχίας), σε επίπεδο σχηματικού, με το εργαλείο Virtuoso Schematic Editor φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα Σχηματικό για τον πολλαπλασιαστή (1 ο επίπεδο ιεραρχίας) με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. 71

72 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου H τοπολογία σε 2 ο επίπεδο ιεραρχίας φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα Σχηματικό για τον πολλαπλασιαστή (2 ο επίπεδο ιεραρχίας) με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. Η υλοποίηση των S cells είναι αυτή που φαίνεται στο Σχήμα 4.9, ενώ η υλοποίηση του διαχωριστή ρεύματος δόθηκε αναλυτικά στην προηγούμενη παράγραφο. Η κατανάλωση ισχύος του πολλαπλασιαστή είναι 1.24nW. Η χαρακτηριστική μεταφοράς του, φαίνεται στο Σχήμα 4.31, όπου επιβεβαιώνει την ορθή λειτουργία του κυκλώματος σύμφωνα με τη σχέση (4.14). Απεικονίζεται το ρεύμα εξόδου ως συνάρτηση του ρεύματος i 1, θέτοντας το ρεύμα i 2 ίσο με 0.5Ι o, Ι o και 2Ι o. Σχήμα DC χαρακτηριστική του πολλαπλασιαστή. 72

73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Η συμπεριφορά του πολλαπλασιαστή στο πεδίο του χρόνου μελετήθηκε θεωρώντας το ρεύμα i 1 ως ένα ημιτονικό σήμα με συχνότητα 50Hz και πλάτος 155pA, και το ρεύμα i 2 ως ένα σταθερό ρεύμα με τιμή 100pA. Oι κυματομορφές εισόδου και εξόδου φαίνονται στο Σχήμα 4.32, όπου φαίνεται ότι η έξοδος σχεδόν ταυτίζεται με το ρεύμα i 1. Αυτό ήταν αναμενόμενο σύμφωνα με τη σχέση (4.14) στην περίπτωση που το i 2 είναι ίσο με Ι o. Σχήμα Κυματομορφές εισόδου και εξόδου του πολλαπλασιαστή για i1ημίτονο πλάτους 155pA και i2=100pa. Στην περίπτωση όπου το i 1 είναι ένα σταθερό ρεύμα με τιμή 100pA και το i 2 είναι ένα ημιτονικό σήμα με συχνότητα 50Hz και πλάτος 155pA, οι κυματομορφές εισόδου και εξόδου φαίνονται στο Σχήμα 4.33, όπου ότι η έξοδος σχεδόν ταυτίζεται με το ρεύμα i 2, το οποίο προκύπτει και θεωρητικά από τη σχέση (4.14) στην περίπτωση που το i 1 είναι ίσο με Ι o. Σχήμα Κυματομορφές εισόδου και εξόδου του πολλαπλασιαστή για i1=100pa και i2 ημίτονο πλάτους 155pA. 73

74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Τέλος, για την περίπτωση όπου και τα δύο ρεύματα i 1 και i 2 είναι ημίτονα πλάτους 150pA, οι κυματομορφές εισόδου και εξόδου φαίνονται στο Σχήμα Σχήμα Κυματομορφές εισόδου και εξόδου του πολλαπλασιαστή για i1 και i2 ημίτονα πλάτους 150pA. Είναι φανερό ότι σύμφωνα με την εξίσωση (4.14), όταν το i 1 και i 2 είναι δύο ημίτονα ίδιας συχνότητας και πλάτους, τότε η έξοδος του κυκλώματος έχει τη μορφή του τετράγωνου ενός ημιτόνου. 74

75 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου 5.1 Εισαγωγή Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζεται το προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών, όπου τα βασικά δομικά στοιχεία είναι κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Αρχικά παρουσιάζονται τα κυκλώματα των απαιτούμενων συγκριτών ρεύματος, καθώς και το κύκλωμα της πύλης AND. Έπειτα, δίνεται το σχηματικό του συστήματος σε 1 ο επίπεδο ιεραρχίας, με τη χρήση του Virtuoso Schematic Editor καθώς και τα επιμέρους κυκλώματα που απαρτίζουν το σύστημα (2 ο επίπεδο ιεραρχίας). Τέλος, ακολουθεί η αναλυτική παρουσίαση της δομής τους. Η μελέτη της συμπεριφοράς του ανιχνευτή έγινε το Virtuoso Analog Design Environment, και παρουσιάζονται κυματομορφές των σημάτων εισόδου, εξόδου, καθώς και των ενδιάμεσων βαθμίδων, τόσο για την περίπτωση ανίχνευσης εμβοής, όσο για την περίπτωση μη ανίχνευσης εμβοής. 75

76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου 5.2 Σύστημα παραγωγής alpha, gamma, thetawaves Γενική τοπολογία φίλτρου Στο Σχήμα 5.1 φαίνεται το γενικό κύκλωμα ενός 4 ης -τάξης ζωνοπερατού φίλτρου που θα χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή των alpha, gamma, theta waves από το αντίστοιχο ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG). Θα πρέπει να επισημανθεί σε αυτό το σημείο ότι το σύστημα παραγωγής των παραπάνω εγκεφαλικών κυμάτων δεν απαιτείται στην πράξη και ο λόγος είναι ότι σε πραγματικές μετρήσεις θα είναι διαθέσιμο το EEG από μια υγιή περιοχή, καθώς και το EEG από μια περιοχή με πάθηση. Επειδή στα πλαίσια εκπόνησης της Διπλωματικής Εργασίας δεν ήταν δυνατόν να είναι διαθέσιμα και τα δύο είδη EEGs, υπήρξε η ανάγκη δημιουργίας μιας γεννήτριας που θα εξομοιώνει τα alpha, gamma, theta waves από την περιοχή όπου δημιουργούνται οι εμβοές. R S L 2 C 2 υ in L 1 C 1 R L υ out Σχήμα 5.1. Γενική τοπολογία για την παραγωγή alpha, gamma, theta waves από το EEG. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η περιοχή των alpha waves είναι από 8-12Hz, των gamma waves είναι από Hz και των theta waves είναι από 4-8Hz, τα απαιτούμενα ζωνοπερατά φίλτρα θα έχουν για κάθε περίπτωση τα παρακάτω χαρακτηριστικά. Alpha waves : κεντρική συχνότητα f o = 9.8Hz, εύρος ζώνης (BW) = 4Hz. Gamma waves : κεντρική συχνότητα f o = 54.8Hz, εύρος ζώνης (BW) = 70Hz. Theta waves : κεντρική συχνότητα f o = 5.6Hz, εύρος ζώνης (BW) = 4.3Hz Αποτελέσματα εξομοίωσης H τοπολογία του συστήματος παραγωγής των απαιτούμενων σημάτων σε επίπεδο σχηματικού, με το Virtuoso Schematic Editor φαίνεται στο Σχήμα 5.2. Τα απαιτούμενα ρεύματα εισόδου υλοποιούνται με τη χρήση πηγών ρεύματος ελεγχόμενες από την τάση εξόδου του κάθε φίλτρου. Να σημειωθεί επίσης ότι αυτό θα μας δώσει τη δυνατότητα ελέγχου του μεγέθους των ρευμάτων που θα προέρχονται από υγιείς και μη υγιείς περιοχές του ακουστικού φλοιού. 76

77 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Σχήμα 5.2. Σχηματικό για το σύστημα παραγωγής alpha, gamma, theta waves από το EEG με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. 77

78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου 5.3 Προτεινόμενο Κύκλωμα Εξαγωγής Ενέργειας Ζώνης Συχνοτήτων (Band Energy Extractor) Κύκλωμα Εξαγωγής Ενέργειας (Energy Extractor) Στο Σχήμα 5.3 φαίνεται το μπλοκ διάγραμμα του συστήματος εξαγωγής ενέργειας. i IN BP i BP ( ) 2 i SQ LP i OUT Σχήμα 5.3. Μπλοκ διάγραμμα συστήματος εξαγωγής ενέργειας. Στην είσοδο του συστήματος υπάρχει ένα βαθυπερατό φίλτρο (BP filter), το οποίο χρησιμοποιείται για τον περιορισμό του φασματικού περιεχομένου του σήματος εισόδου μέσα στο επιθυμητό εύρος ζώνης συχνοτήτων. Για να κατανοηθεί η αρχή λειτουργίας του συστήματος θεωρούμε ότι κάθε έξοδος του ζωνοπερατού φίλτρου είναι της μορφής i BP = A sin(ωt). Ο πολλαπλασιαστής τεσσάρων τεταρτημορίων χρησιμεύει για την υλοποίηση ενός τετραγωνιστή ρεύματος (current squarer), ο οποίος στην έξοδο του δίνει ρεύμα που περιγράφεται από τη σχέση (5.1) Η σχέση (5.1) μπορεί να γραφεί όπως φαίνεται στην (5.2) i SQ = A2 I o sin 2 (ωt) (5.1) i SQ = A2 2I o A2 2I o cos(2ωt) (5.2) Επομένως, το βαθυπερατό φίλτρο (LP filter) θα χρησιμεύει για ην απομάκρυνση του δεύτερου όρου του αθροίσματος στην σχέση (5.2). Για να υλοποιηθεί αυτό απαιτείται η συχνότητα αποκοπής (ω ο ) του LP φίλτρου να είναι πολύ μικρότερη της συχνότητας (ω) του συνημιτόνου. Αυτό στα κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου πρακτικά γίνεται επιλέγοντας ένα πολύ μικρό ρεύμα πόλωσης για το φίλτρο. Ο λόγος είναι ότι η «ισοδύναμη» αντίσταση δίνεται από τη σχέση R = nv T /2I o, οπότε και η πραγματοποιούμενη σταθερά χρόνου θα είναι πολύ 78

79 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου μεγάλη. Έτσι, λοιπόν, στην έξοδο του LP filter (i OUT ) λαμβάνεται μόνο ό σταθερός όρος A2 2I o, ο οποίος είναι ανάλογος του τετραγώνου του πλάτους, δηλαδή της ενέργειας του σήματος. H τοπολογία του εξαγωγέα ενέργειας σε επίπεδο σχηματικού, με το εργαλείο Virtuoso Schematic Editor φαίνεται στο Σχήμα 5.4. Σχήμα 5.4. Τοπολογία κυκλώματος εξαγωγής ενέργειας με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. Στο Σχήμα 5.4 το ζωνοπερατό φίλτρο, το βαθυπερατό φίλτρο, και ο πολλαπλασιαστής τεσσάρων τεταρτημορίων υλοποιούνται (σε επίπεδο κατώτερης ιεραρχίας), όπως περιγράφηκαν στο Κεφάλαιο Κύκλωμα Εξαγωγής Ενέργειας Ζώνης Συχνοτήτων Στο Σχήμα 5.5α φαίνεται το μπλοκ διάγραμμα του συστήματος εξαγωγής ενέργειας για κάθε ζώνη συχνοτήτων, ενώ στο Σχήμα 5.5β φαίνεται το σύμβολο του. Το σύστημα αποτελείται από ένα κύκλωμα εξαγωγής ενέργειας για σήμα που αντιστοιχεί σε υγιή περιοχή του ακουστικού φλοιού (i in_health ), και από ένα άλλο κύκλωμα εξαγωγής ενέργειας για σήμα που αντιστοιχεί σε μη υγιή (i in_deceased ) περιοχή του ακουστικού φλοιού. 79

80 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου i in_health Energy extractor i out_health i in_deceased Energy extractor i out_deceased (α) i in_health i in_deceased Band energy extractor i out_health i out_deceased (β) Σχήμα 5.5. Σύστημα εξαγωγής ενέργειας ζώνης συχνοτήτων (α) μπλοκ διάγραμμα, (β) σύμβολο. Στο σύστημα θα υπάρχουν τρείς εξαγωγείς ενέργειας ζώνης συχνοτήτων, οι οποίοι θα αντιστοιχούν στις περιοχές των alpha, gamma, και theta waves. Έτσι, ο εξαγωγέας ενέργειας για τα alpha waves θα αποτελείται από δύο εξαγωγείς ενέργειας, όπως αυτοί φαίνονται στο Σχήμα 5.4, οι οποίοι θα έχουν τα χαρακτηριστικά που φαίνονται στον Πίνακα 5.1. Οι τιμές των πυκνωτών υπολογίζονται από τις σχέσεις (4.4)-(4.5). ΠΙΝΑΚΑΣ 5.1 Χαρακτηριστικά και τιμές για τον εξαγωγέα ενέργειας των alpha waves. Φίλτρο Χαρακτηριστικά Τιμές fo=9.8hz Io=100pA BP Q=2.45 C1=235pF C2=40pF fo=1hz Io=5pA LP Q=0.707 C1=33.3pF C2=66.6pF 80

81 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Ο εξαγωγέας ενέργειας για τα gamma waves θα αποτελείται από δύο εξαγωγείς ενέργειας, όπως αυτοί φαίνονται στο Σχήμα 5.4, οι οποίοι θα έχουν τα χαρακτηριστικά που φαίνονται στον Πίνακα 5.2. ΠΙΝΑΚΑΣ 5.2 Χαρακτηριστικά και τιμές για τον εξαγωγέα ενέργειας των gamma waves. Φίλτρο Χαρακτηριστικά Τιμές fo=54.8hz Io=250pA BP Q=0.78 C1=32pF C2=55pF fo=5hz Io=5pA LP Q=0.707 C1=6.66pF C2=13.3pF Ο εξαγωγέας ενέργειας για τα theta waves θα αποτελείται από δύο εξαγωγείς ενέργειας, όπως αυτοί φαίνονται στο Σχήμα 5.4, οι οποίοι θα έχουν τα χαρακτηριστικά που φαίνονται στον Πίνακα 5.3. ΠΙΝΑΚΑΣ 5.3 Χαρακτηριστικά και τιμές για τον εξαγωγέα ενέργειας των theta waves. Φίλτρο Χαρακτηριστικά Τιμές fo=5.6hz Io=100pA BP Q=1.4 C1=235pF C2=120pF fo=5hz Io=5pA LP Q=0.707 C1=66.6pF C2=133.2pF 81

82 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου H τοπολογία του εξαγωγέα ενέργειας ζώνης συχνοτήτων alpha waves σε επίπεδο σχηματικού, με το εργαλείο Virtuoso Schematic Editor φαίνεται στο Σχήμα 5.6. Σχήμα 5.6. Τοπολογία κυκλώματος εξαγωγής ενέργειας ζώνης συχνοτήτων alpha waves με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. Να σημειωθεί ότι οι τοπολογίες των εξαγωγέων ενέργειας ζώνης συχνοτήτων για τα gamma και theta waves είναι ίδιες με αυτή του Σχήματος 5.6. Επίσης, η πόλωση στο Σχήμα 5.6 υλοποιείται με χρήση καθρεπτών ρεύματος με nmos transistors με διαστάσεις 8μm/1μm, και pmos transistors με διαστάσεις 20μm/1μm για ρεύμα 100pA. Οι κλιμακώσεις των ρευμάτων πόλωσης γίνεται με αντίστοιχη κλιμάκωση των διαστάσεων των αντίστοιχων pmos transistors. Αυτή η τοπολογία πόλωσης θα ακολουθηθεί και σε όλες τις επόμενες βαθμίδες. 82

83 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου 5.4 Συγκριτής Ρεύματος (Current Comparator) Τυπικό κύκλωμα συγκριτή ρεύματος Στο Σχήμα 5.7 φαίνεται ένα τυπικό κύκλωμα συγκριτή ρεύματος [34]. V DD i REF M p1 M p2 M n3 M n4 V OUT i IN M n1 M n2 Σχήμα 5.7. Τυπικός συγκριτής ρεύματος. Η λειτουργία του κυκλώματος είναι η παρακάτω: Εάν i IN < i REF τότε V OUT = V DD Εάν i IN > i REF τότε V OUT = 0 Εάν i IN = i REF τότε V OUT = 0.5 V DD Αποτελέσματα εξομοίωσης Η συμπεριφορά του συγκριτή ρεύματος που φαίνεται στο Σχήμα 5.7 θα μελετηθεί στο περιβάλλον Analog Virtuoso Design Environment. Τα μοντέλα transistor που θα χρησιμοποιηθούν είναι αυτά της τεχνολογίας AMS CMOS C μm. Επιλέγεται τάση τροφοδοσίας V DD = 1V. Το ρεύμα αναφοράς I REF έχει τιμή 25pΑ. Οι τιμές των διαστάσεων των transistors δίνονται στον Πίνακα

84 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου ΠΙΝΑΚΑΣ 5.4 Διαστάσεις transistorσυγκριτή ρεύματος Transistor W/L (μm/μm) M p1 -M p2 0.5/20 M n1 -M n4 30/1 H τοπολογία του κυκλώματος, σε επίπεδο σχηματικού, με το εργαλείο Virtuoso Schematic Editor φαίνεται στο Σχήμα 5.8. Η χαρακτηριστική μεταφοράς του συγκριτή ρεύματος (DCχαρακτηριστική), φαίνεται στο Σχήμα 5.9, όπου επιβεβαιώνει και την ορθή λειτουργία του κυκλώματος. Σχήμα 5.8. Σχηματικό για τον συγκριτή ρεύματος με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. 84

85 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Σχήμα 5.9. DC χαρακτηριστική του συγκριτή ρεύματος. 5.5 Πύλη AND Στο Σχήμα 5.10 φαίνεται ένα τυπικό κύκλωμα πύλης AND. V DD V comp1 V comp2 V comp3 M p1 M p2 M p3 M p4 V OUT V comp1 M n1 M n4 V comp2 M n2 V comp3 M n3 Σχήμα Τυπικό κύκλωμα πύλης AND. 85

86 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Επιλέγοντας μοντέλα transistor της τεχνολογίας AMS CMOS C μm και τάσης τροφοδοσίας V DD = 1V, οι τιμές των διαστάσεων των transistors δίνονται στον Πίνακα 5.5. ΠΙΝΑΚΑΣ 5.5Διαστάσεις transistorπύλης AND Transistor W/L (μm/μm) M p1 -M p3 0.4/0.4 M p4 3/1 M n1 -M n3 1.5/0.4 M n4 10/1 H τοπολογία του κυκλώματος, σε επίπεδο σχηματικού, με το εργαλείο Virtuoso Schematic Editor φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα Σχηματικό για την πύλη AND με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. 86

87 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου 5.6 Προτεινόμενη Υλοποίηση Συστήματος Ανιχνευτή Εμβοών Στο Σχήμα 5.12 φαίνεται το μπλοκ διάγραμμα του προτεινόμενου συστήματος ανιχνευτή εμβοών με χρήση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Channel 1 i in_deceased i in_deceased i in_deceased Energy Extractor alpha Energy Extractor gamma Energy Extractor theta α 1 i out_deceased - V o,a i out_deceased i out_deceased Band Energy alpha α 2 Energy Extractor alpha i out_health + Band Energy gamma γ 1 γ 2 Energy Extractor gamma i out_health + - V o,γ Band Energy theta θ 1 θ 2 Energy Extractor theta i out_health + - V o,θ AND V out i in_health i in_health i in_health Channel 2 Σχήμα Μπλοκ διάγραμμα συστήματος ανιχνευτή εμβοών. Το σχηματικό του συστήματος (1 ο επίπεδο ιεραρχίας), με το εργαλείο Virtuoso Schematic Editor φαίνεται στο Σχήμα

88 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Σχήμα Σχηματικό του συστήματος (1 ο επίπεδο ιεραρχίας) με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. H τοπολογία σε 2 ο επίπεδο ιεραρχίας φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα Σχηματικό του συστήματος (2 ο επίπεδο ιεραρχίας) με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. 88

89 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου H τοπολογία σε 3 ο επίπεδο ιεραρχίας φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα Σχηματικό του συστήματος (3 ο επίπεδο ιεραρχίας) με χρήση του Virtuoso Schematic Editor. 89

90 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου 5.7 Αποτελέσματα εξομοίωσης για το σύστημα ανιχνευτή εμβοών H συμπεριφορά του προτεινόμενου ανιχνευτή εμβοών μελετήθηκε στο περιβάλλον Virtuoso Analog Design Environment. Τα μοντέλα transistor που χρησιμοποιήθηκαν είναι αυτά της τεχνολογίας AMS CMOS C μm. Επιλέγονται τάσεις τροφοδοσίας V DD = 0.5V, V DC = 0.1V, και V DD_DIG = 1V. Το κεντρικό ρεύμα πόλωσης είναι Ι ο = 100pA, και αυτό διαμοιράζεται, κατάλληλα κλιμακωμένο με τη βοήθεια καθρεπτών ρεύματος, στα επιμέρους κυκλώματα του συστήματος. Η κατανάλωση ισχύος του προτεινόμενου ανιχνευτή είναι 40.5nW. Η ανάλογη υλοποίηση που έχει προταθεί [8] παρουσιάζει καταναλισκόμενη ισχύ 60nW και έχει χρησιμοποιηθεί τάση τροφοδοσίας V DD = 1V Αποτελέσματα εξομοίωσης για ανίχνευση εμβοής Στο Σχήμα 5.16 φαίνονται τα alpha, gamma, και theta waves που εφαρμόζονται στον ανιχνευτή. Αυτά προέκυψαν από την εφαρμογή ενός EEG που λήφθηκε από τη βάση δεδομένων [37] στο σύστημα που φαίνεται στο Σχήμα 5.2. (α) 90

91 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (β) (γ) Σχήμα Κυματομορφές (α)alpha, (β) gamma, (γ) theta waves για την περίπτωση ανίχνευσης εμβοής. 91

92 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Παρατηρούμε ότι σύμφωνα με το Σχήμα 5.16 ισχύoυν ταυτόχρονα οι συνθήκες (in_health) α >(in_deceased) α, (in_health) γ <(in_deceased) γ, (in_health) θ <(in_deceased) θ και, επομένως, στην έξοδο του ανιχνευτή αναμένεται το λογικό "1". Στο Σχήμα 5.17 φαίνονται οι κυματομορφές εξόδου για τους ανιχνευτές ενέργειας της ζώνης συχνοτήτων των alpha, gamma, και theta waves. (α) (β) 92

93 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (γ) Σχήμα Κυματομορφές εξόδου των ανιχνευτών ενέργειας της ζώνης συχνοτήτων των (α) alpha, (β) gamma, (γ) theta waves για την περίπτωση ανίχνευσης εμβοής. Στο Σχήμα 5.18 φαίνονται οι κυματομορφές εξόδου για τους συγκριτές στις εξόδους των ανιχνευτών ενέργειας της ζώνης συχνοτήτων των alpha, gamma, και theta waves. (α) 93

94 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (β) (γ) Σχήμα Κυματομορφές εξόδου των συγκριτών στις εξόδους των εξαγωγέων ενέργειας της ζώνης συχνοτήτων των (α) alpha, (β) gamma, (γ) theta waves για την περίπτωση ανίχνευσης εμβοής. 94

95 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Τέλος, στο Σχήμα 5.19 φαίνεται η κυματομορφή εξόδου στην πύλη AND, η οποία επιβεβαιώνει και την ανίχνευση εμβοής Σχήμα Κυματομορφή εξόδου του συστήματος (πύλη AND). 95

96 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Αποτελέσματα εξομοίωσης για μη ανίχνευση εμβοής Στο Σχήμα 5.20 φαίνονται τα alpha, gamma, και theta waves που εφαρμόζονται στον ανιχνευτή. (α) 96 (β)

97 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (γ) Σχήμα Κυματομορφές (α) alpha, (β) gamma, (γ) theta waves για την περίπτωση μη ανίχνευσης εμβοής. Παρατηρούμε ότι σύμφωνα με το Σχήμα 5.20 ισχύoυν ταυτόχρονα οι συνθήκες (in_health) α <(in_deceased) α, (in_health) γ <(in_deceased) γ, (in_health) θ <(in_deceased) θ και, επομένως, στην έξοδο του ανιχνευτή αναμένεται το λογικό "0". Στο Σχήμα 5.21 φαίνονται οι κυματομορφές εξόδου για τους ανιχνευτές ενέργειας της ζώνης συχνοτήτων των alpha, gamma, και theta waves. 97

98 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (α) (β) 98

99 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (γ) Σχήμα Κυματομορφές εξόδου των ανιχνευτών ενέργειας της ζώνης συχνοτήτων των (α) alpha, (β) gamma, (γ) theta waves για την περίπτωση μη ανίχνευσης εμβοής. Στο Σχήμα 5.22 φαίνονται οι κυματομορφές εξόδου για τους συγκριτές στις εξόδους των ανιχνευτών ενέργειας της ζώνης συχνοτήτων των alpha, gamma, και theta waves. (α) 99

100 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (β) (γ) Σχήμα Κυματομορφές εξόδου των συγκριτών στις εξόδους των εξαγωγέων ενέργειας της ζώνης συχνοτήτων των (α) alpha, (β) gamma, (γ) theta waves για την περίπτωση μη ανίχνευσης εμβοής. 100

101 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Τέλος, στο Σχήμα 5.23 φαίνεται η κυματομορφή εξόδου στην πύλη AND, η οποία επιβεβαιώνει και την μη ανίχνευση εμβοής Σχήμα Κυματομορφή εξόδου του συστήματος (πύλη AND). Στο σημείο αυτό θα πρέπει να αναφερθεί ότι στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας έγιναν και οι υπόλοιπες εξομοιώσεις που αφορούν τον πίνακα αλήθεια της πύλης AND, και επιβεβαιώθηκε ότι στην έξοδο του ανιχνευτή εμφανίζεται το λογικό "1" μόνο στην περίπτωση όπου ισχύει η συνθήκη (in_health) α > (in_deceased) α, (in_health) γ < (in_deceased) γ, (in_health) θ < (in_deceased) θ. Η ευαισθησία του συστήματος ως προς τις μεταβολές των τιμών των παραμέτρων της τεχνολογίας (process variation), καθώς και ως προς το μη απόλυτο ταίριασμα των παραμέτρων (mismatching) των transistors, μελετήθηκε με την βοήθεια της Monte-Carlo ανάλυσης. Τα αποτελέσματα φαίνονται στο Σχήμα 5.24, όπου παρατίθενται οι κυματομορφές εξόδου του συστήματος για την περίπτωση της ανίχνευσης εμβοής. 101

102 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Προτεινόμενο σύστημα ανίχνευσης εμβοών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου Σχήμα Αποτελέσματα στατιστικής ανάλυσης για την τάση εξόδου του συστήματος. 102

103 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 - Φυσική σχεδίαση του συστήματος ανίχνευσης εμβοών Φυσική σχεδίαση του συστήματος ανίχνευσης εμβοών 6.1 Εισαγωγή Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζεται η φυσική σχεδίαση (layout design) του προτεινόμενου συστήματος. Αρχικά, θα δοθούν τα βασικά cells και στη συνέχεια θα παρουσιαστούν τα διάφορα επίπεδα του συστήματος μέχρι την τελική απεικόνιση του συστήματος. Η φυσική σχεδίαση είναι το τελικό στάδιο σχεδίασης ενός κυκλώματος πριν την κατασκευή του ολοκληρωμένου. Αποτελεί αξιοσημείωτο βήμα τόσο για τον κατασκευαστή όσο και για τον ίδιο το σχεδιαστή. Ο κατασκευαστής πληροφορείται για τις φυσικές διαστάσεις των στοιχείων αλλά και τη θέση και τρόπο διασύνδεσης των δομικών στοιχείων του κυκλώματος. Από την άλλη πλευρά, ο σχεδιαστής έχει την δυνατότητα να κατανοήσει την επίδραση των παρασιτικών χωρητικοτήτων του εκάστοτε κυκλώματος. Η φυσική σχεδίαση του συστήματος ανίχνευσης εμβοών πραγματοποιήθηκε με χρήση του Virtuoso Layout Editor. Η μελέτη της συμπεριφοράς του ανιχνευτή έγινε με το Virtuoso Analog Design Environment, και θα παρουσιαστούν οι κυματομορφές των σημάτων εξόδου που προκύπτουν από την εξομοίωση του σχηματικού και της φυσικής σχεδίασης, τόσο για την περίπτωση ανίχνευσης εμβοής, όσο και για την περίπτωση μη ανίχνευσης εμβοής. 103

104 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 - Φυσική σχεδίαση του συστήματος ανίχνευσης εμβοών 6.2 Φυσική σχεδίαση βασικών Cells. Στο Σχήμα 6.1 φαίνεται η φυσική σχεδίαση του γραμμικού διαγωγού υπερβολικού ημιτόνου. Σχήμα 6.1. Φυσική σχεδίαση του S cell. 104

105 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 - Φυσική σχεδίαση του συστήματος ανίχνευσης εμβοών Στο Σχήμα 6.2 φαίνεται η φυσική σχεδίαση του γραμμικού διαγωγού υπερβολικού ημιτόνου / ανεστραμένου ημιτόνου / ανεστραμένου ημιτόνου / ανεστραμένου ημιτόνου / υπερβολικού συνημιτόνου. Σχήμα 6.2. Φυσική σχεδίαση του S/S'/S'/S'/C cell. 105

106 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 - Φυσική σχεδίαση του συστήματος ανίχνευσης εμβοών Στο Σχήμα 6.3 φαίνεται η φυσική σχεδίαση του διαιρέτη ρεύματος δύο τεταρτημορίων (two quadrant divider). Σχήμα 6.3. Φυσική σχεδίαση διαιρέτη ρεύματος 2 τεταρτημορίων. 106

107 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 - Φυσική σχεδίαση του συστήματος ανίχνευσης εμβοών Στο Σχήμα 6.4 φαίνεται η φυσική σχεδίαση του συγκριτή ρεύματος (current comparator). Σχήμα 6.4. Φυσική σχεδίαση του συγκριτή ρεύματος (current comparator). Στο Σχήμα 6.5 φαίνεται η φυσική σχεδίαση της πύλης AND. Σχήμα 6.5. Φυσική σχεδίαση της πύλης AND 107

108 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 - Φυσική σχεδίαση του συστήματος ανίχνευσης εμβοών Στο Σχήμα 6.6 φαίνεται η φυσική σχεδίαση του διαχωριστή ρεύματος (current splitter) Σχήμα 6.6. Φυσική σχεδίαση του διαχωριστή ρεύματος (current splitter). Στο Σχήμα 6.7 φαίνεται η φυσική σχεδίαση του πολλαπλασιαστή τεσσάρων τεταρτημορίων (4Q multiplier) Σχήμα 6.7. Φυσική σχεδίαση του πολλαπλασιαστή τεσσάρων τεταρτημορίων (4Q multiplier). 108

109 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 - Φυσική σχεδίαση του συστήματος ανίχνευσης εμβοών Στο Σχήμα 6.8 φαίνεται η φυσική σχεδίαση του ολοκληρωτή χωρίς απώλειες (lossless integrator). Σχήμα 6.8. Φυσική σχεδίαση του ολοκληρωτή χωρίς απώλειες (lossless integrator). Στο Σχήμα 6.9 φαίνεται η φυσική σχεδίαση του ολοκληρωτή με απώλειες (lossy integrator). Σχήμα 6.9. Φυσική σχεδίαση του ολοκληρωτή με απώλειες (lossy integrator). 109

110 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 - Φυσική σχεδίαση του συστήματος ανίχνευσης εμβοών Στο Σχήμα 6.10 φαίνεται η φυσική σχεδίαση του ζωνοπερατού φίλτρου (bandpass filter). Σχήμα Φυσική σχεδίαση του ζωνοπερατού φίλτρου (bandpass filter). Στο Σχήμα 6.11 φαίνεται η φυσική σχεδίαση του βαθυπερατού φίλτρου (lowpass filter). Σχήμα Φυσική σχεδίαση του βαθυπερατού φίλτρου (lowpass filter). Στο Σχήμα 6.12 φαίνεται η φυσική σχεδίαση του εξαγωγέα ενέργειας (energy extractor). Σχήμα Φυσική σχεδίαση του εξαγωγέα ενέργειας (energy extractor). Στο Σχήμα 6.13 φαίνεται η φυσική σχεδίαση του εξαγωγέα ενέργειας ζώνης συχνοτήτων (band energy extractor). Σχήμα Φυσική σχεδίαση του εξαγωγέα ενέργειας ζώνης συχνοτήτων (band energy extractor). 110

111 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 - Φυσική σχεδίαση του συστήματος ανίχνευσης εμβοών 6.3 Φυσική σχεδίαση συστήματος. Στο Σχήμα 6.14 φαίνεται η φυσική σχεδίαση του συστήματος ανιχνευτή εμβοών χωρίς την προσθήκη των πυκνωτών. Σχήμα Φυσική σχεδίαση του συστήματος ανιχνευτή εμβοών χωρίς την προσθήκη των πυκνωτών. Στο Σχήμα 6.15 φαίνεται η φυσική σχεδίαση του συστήματος ανιχνευτή εμβοών με την προσθήκη των παθητικών στοιχείων (πυκνωτών). Οι διαστάσεις του συστήματος είναι 2305,5μm X 1944,6μm. 111

112 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 - Φυσική σχεδίαση του συστήματος ανίχνευσης εμβοών Σχήμα Φυσική σχεδίαση του συστήματος ανιχνευτή εμβοών (tinnitus detector). 112