Η προσομοίωση της συμπίεσης του μαστού κατά την διάρκεια της μαστογραφίας πραγματοποιείται σήμερα με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (FEM), η οποία επιβάλει την χρήση ενός μικρού αριθμού κόμβων, λόγω της μεγάλης υπολογιστικής ισχύς που απαιτεί, οδηγώντας σε χαμηλή ανάλυση της εικόνας του συμπιεσμένου μαστού. Επιπρόσθετα, η ανάγκη για την δημιουργία ενός πλέγματος του υπο συμπίεση όγκου, αποτελεί μία πολύπλοκη και μονότονη διαδικασία που δεν έχει αυτοματοποιηθεί πλήρως μέχρι σήμερα. Στη εργασία αυτή έχει αναπτυχθεί μια νέα μέθοδος για την προσομοίωση της συμπίεσης κατά την διάρκεια της μαστογραφίας, η οποία μπορεί να συμπιέσει ένα εικονικό ομοίωμα μαστού (Breast Phantom) υψηλής ανάλυσης με οποιαδήποτε γεωμετρική δομή και σύνθεση. Κύριος στόχος δεν αποτέλεσε η ακριβής μοντελοποίηση της δομής και συμπεριφοράς των ανθρώπινων ιστών, αλλά η απόκτηση ρεαλιστικών αποτελεσμάτων συμπίεσης μαστού με στόχο μια ακριβέστερη προσομοίωση μαστογραφίας. Η μέθοδος που αναπτύχθηκε βασίζεται σε ένα μοντέλο γραμμικών ελατηρίων και χρησιμοποιεί μια επαναληπτική τυχαία διαδικασία για την επίτευξη της ισορροπίας όλων των διακεκριμένων σημείων του όγκου(κόμβων). Τα στοιχεία του μοντέλου απαρτίζονται από 27 κόμβους, έχοντας 1 κόμβο ως κεντρικό και 26 ως γείτονες. Επιπλέον τα γειτονικά στοιχεία μοιράζονται κοινούς κόμβους και συνεπώς αλληλεπικαλύπτονται. Το πολύ σπουδαίο ζήτημα της διατήρησης του όγκου, επιλύθηκε με την χρήση ελατηρίων μεταβλητού μήκους ισορροπίας τα οποία ανάλογα με την εφαρμοσμένη συμπίεση σε κάθε στοιχείο συστέλλονται ή διαστέλλονται με στόχο την διατήρηση του όγκου κάθε στοιχείου. Τέλος δεν απαιτείται η δημιουργία ενός πλέγματος στον χώρο διότι το μοντέλο βασίζεται στα διακεκριμένα σημεία του breast phantom (voxel-based). Η εφαρμογή αυτής της μεθόδου έκανε εφικτό τον υπολογισμό των νέων θέσεων ισορροπίας 500.000 κόμβων ενός Breast Phantom που δέχθηκε 50% συμπίεση και περιείχε λιπώδη ιστό, δομές αδένων και ανωμαλίες (ασβεστώματα), με μέση απόκλιση μικρότερη από 0.1 χιλιοστά. Η αντιστρεψιμότητα του αλγόριθμου καθώς και η ακρίβεια του εκτιμητή απόκλισης επιβεβαιώθηκαν με την βοήθεια μια «αντίστροφης προσομοίωσης» κατά την διάρκεια της οποίας ένας συμπιεσμένος μαστός αποσυμπιέστηκε πλήρως για να επιστρέψει στην αρχική ασυμπίεστη μορφή του. Η διαδικασία τόσο για την συμπίεση όσο και για την αποσυμπίεση διήρκεσε περίπου 12 ώρες η κάθε μία, σε ένα σύστημα WinXp PC 2.4 GHz. Ο κώδικας του αλγόριθμου είναι γραμμένος σε γλώσσα Java. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι είναι εφικτό να προσομοιωθεί η συμπίεση ενός Breast phantom ανάλυσης 512x512x512 ,απεριόριστου αριθμού ιστών και γεωμετρικών δομών, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε υψηλής ανάλυσης προσομοίωση μαστογραφίας. / Breast compression during Mammography is currently being simulated using FEM analysis, which due to its computational greed, forces the use of a relatively small number of nodes leading to a low resolution image of the compressed breast. Moreover the mesh generation of the volume under compression is a tedious and complex task which demands user interaction. In the current work a novel method for simulating compression during mammography which uses a high resolution 3D Breast Phantom with any geometrical structure and contents has been developed. This work was not focused on producing a precise model of the structure and behavior of human tissues, but on achieving realistic results of breast compression during mammography, and therefore contributing to a more accurate mammography simulation. This method is based on a linear spring model and uses a repetitive random process to reach the equilibrium position for all the discrete points in the volume (nodes). The elements of the model consist of 27 nodes each, 1 center node and 26 neighbor nodes. Moreover neighbor elements share common nodes, and therefore overlap each other. The very critical issue of volume preservation was resolved by the introduction of variable equilibrium length springs which, depending on the compression applied on each element, expand or contract in order for the volume of each element to be preserved. Finally, user interaction is minimized by dismissing the tedious and time consuming need for a mesh generation and using a fully automated voxel based model instead. Applying this method it was made possible to compute the new position of each of the 500.000 nodes of a Breast Phantom subjected to 50% compression, which was composed of fatty tissue, gland and various abnormalities, with an average deviation less than 0.1 mm. The reversibility of the algorithm as well as the validity of the deviation estimator were verified by the means of a “reverse simulation” during which the compressed breast phantom was perfectly decompressed to its initial uncompressed state. The entire process both for compression and decompression took approximately 12 hours each on a WinXp PC 2.4 GHz. The source code is written in Java language. The results show that it is possible to obtain a 512x512x512 compressed 3D Breast Phantom with unlimited number of different tissues and structures which can be used in high resolution mammography simulation.

Η ανίχνευση των δυναμικών δραστηριότητας συμβάλλει στη μείωση των δεδομένων προς αποστολή από ένα εμφυτεύσιμο σύστημα ασύρματης καταγραφής της νευρωνικής δραστηριότητας ενός ζώντα οργανισμού. Η παρούσα Mεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία έχει ως στόχο την σχεδίαση ενός ανιχνευτή δυναμικών δραστηριότητας σε νευρωνικές κυματομορφές ικανό να λειτουργεί σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας για την επίτευξη μειωμένης κατανάλωσης ισχύος. Για το σκοπό αυτό, προτείνεται η σχεδίαση συστημάτων στο πεδίο του λογαρίθμου με τη χρήση MOS τρανζίστορ που είναι πολωμένα στην περιοχή υποκατωφλίου. Αρχικά, μελετώνται τα φυσικά χαρακτηριστικά των δυναμικών δραστηριότητας, δηλαδή το συχνοτικό τους περιεχόμενο και το σχήμα τους στο πεδίο του χρόνου. Επίσης, παρουσιάζεται ο μη-γραμμικός τελεστής ενέργειας και ο λόγος για τον οποίο αυτός καθίσταται σημαντικός στην επεξεργασία νευρωνικών σημάτων. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι βασικές αρχές για τη σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του λογαρίθμου. Ακόμα, κάνοντας χρήση των βασικών δομικών μονάδων του λογαριθμικού πεδίου, των μη-γραμμικών διαγωγών Ε Cells, υλοποιούνται τόσο οι συμπληρωματικοί τελεστές όσο και οι δομές επεξεργασίας σήματος που είναι απαραίτητες για την πραγματοποίηση του μη-γραμμικού τελεστή ενέργειας. Οι δομές αυτές είναι διαφοριστές και πολλαπλασιαστές τεσσάρων τεταρτημορίων τρόπου ρεύματος. Τέλος, δίνεται η ολοκλήρωση του συστήματος με την σχεδίαση ενός συγκριτή ρεύματος που επιτελεί την λειτουργία της κατωφλιοποίησης. Για την εξομοίωση του συστήματος, χρησιμοποιείται μια νευρωνική κυματομορφή, το Analog Design Environment του λογισμικού Cadence και οι παράμετροι της τεχνολογίας TSMC 130nm. / The detection of action potentials contributes to the reduction of data to be transmitted by an implantable wireless neural activity recording system. The goal of the present M.Sc. Τhesis is the design of an action potential detector capable of operating in a low-voltage environment, in order to achieve reduced power dissipation. For this purpose, the log-domain designing technique is suggested by using MOS transistors operating in the subthreshold region. Initially, the physical characteristics of action potentials are studied, i.e. the frequential content and time-domain shape. Moreover, the nonlinear energy operator is presented in addition to the reason that makes this system crucial for neural signal processing. Thereafter, the basic principles of designing log-domain circuits are presented. Furthermore, the complementary operators as well as the signal processing blocks that are necessary for the realization of NEO are implemented by using the main log-domain building units, the nonlinear transconductors E cells. The blocks required for the NEO implementation are current-mode differentiators and four-quadrant multipliers. Finally, the complete system is given after the design of a current comparator which is responsible for the operation of thresholding. The simulation of the system has been performed through the utilization of the Analog Design Environment of Cadence software and the design kit of TSMC 130nm process in addition to a neural waveform.

Τα αναλογικά φίλτρα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain filters) είναι μια οικογένεια φίλτρων συνεχούς χρόνου στην οποία γίνεται χρήση της Ι/V χαρακτηριστικής των ενεργών στοιχείων (BJT τρανζίστορ) για να επιτευχτεί γραμμική συμπεριφορά από είσοδο σε έξοδο. Τα Sinh-Domain φίλτρα συμπίεσης/αποσυμπιέσης προσφέρουν πλεονεκτήματα, όπως την ηλεκτρονική ρύθμιση, τη δυνατότητα λειτουργίας σε χαμηλή τάση τροφοδοσίας και τη λειτουργία σε υψηλές συχνότητες. Στη παρούσα Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία προτείνεται μια νέα μέθοδος σχεδίασης Sinh-domain φίλτρων που στηρίζεται στη κυματική μέθοδο. Αρχικά αναπτύσσονται τα κυματικά ισοδύναμα των παθητικών στοιχείων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου χρησιμοποιώντας μια κοινή έως σήμερα λογική σχεδίασης η οποία έχει χρησιμοποιηθεί στη σχεδίαση κυματικών φίλτρων τόσο στο λογαριθμικό πεδίο (Log-Domain) όσο και στο πεδίο της τετραγωνικής ρίζας (Square Root-Domain). Έπειτα γίνεται χρήση των κυματικών ισοδυνάμων που πρόεκυψαν για να σχεδιαστούν ηλεκτρονικά φίλτρα τρίτης τάξης, των οποίων η λειτουργία εξομοιώνεται μέσω του Analog Design Environment του λογισμικού Cadence και με χρήση των μοντέλων των MOS transistor που παρέχονται από την τεχνολογία AMS 0.35μm. Στη συνέχεια προτείνεται μια νέα βελτιωμένη εκδοχή των κυματικών ισοδυνάμων πρώτης και δεύτερης τάξης στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Τα βελτιωμένα κυματικά ισοδύναμα στηρίζονται σε μια νέα λογική σχεδίασης η οποία σκοπεύει στη μείωση των απαιτούμενων ενεργών στοιχείων και ως εκ τούτου στη μείωση της καταναλισκόμενης ισχύος αλλά και στη προσθήκη της δυνατότητας εξωτερικά ελεγχόμενου προγραμματισμού της ηλεκτρονικής συμπεριφοράς των νέων κυματικών δίθυρων. Ακολουθεί ο σχεδιασμός ηλεκτρονικών φίλτρων χρησιμοποιώντας αυτή τη φορά τη νέα βελτιωμένη εκδοχή των κυματικών διθύρων και η εξομοίωση της λειτουργίας αυτών με το Analog Design Environment του λογισμικού Cadence. Τέλος πραγματοποιείται συγκριτική μελέτη μεταξύ φίλτρων που σχεδιάστηκαν χρησιμοποιώντας την απλή και τη βελτιωμένη εκδοχή των κυματικών διθύρων σκοπό να διαπιστωθεί ο βαθμός βελτίωσης που επιτυγχάνεται. / Sinh-Domain companding filters are a family of continuous time filters that instead of being designed using locally linearized components, directly exploit the non-linear nature of a BJT transistor, in forward active region or MOS transistor in weak inversion in order to obtain a system with overall linear performance. This way they, exhibit high linearity even for large signal to bias ratios. In addition, they have some other interesting features like tunability, resistorless realizations and capability of operating under low power supply voltage. In this Master Thesis it is proposed a new method of designing Sinh-Domain filters which is based on the wave method. Initially the wave equivalents of passive components in the Sinh-Domain have been introduced, using the conventional approach as in the case of Log Domain and Square Root Domain filters. As design examples, low pass ,band pass and high pass filters have been designed and their performance have been evaluated using the Analog Design Environment of the Cadence software.MOS and Bipolar transistors models provided by AMS 0.35μm. BiCmos technology have been employed in simulation. Later, it is proposed a new improved version of wave equivalents of first and second order in the Sinh-Domain. This offer the following benefits: a)reduced active element count and hence reduced power consumption and b) capability of externally controlled programming for obtaining all the equivalents from the same core. As design examples, low pass, band pass and high pass filters have been designed and their performance have been evaluated using the Analog Design Environment of the Cadence software As a final step a performance among the proposed filter topologies has been performed in order to be evident the attractive characteristics offered by the proposed wave equivalents.

Η παρούσα Διπλωματική Εργασία εστίασε το ενδιαφέρον της στην διερεύνηση των μοντέλων για νευρώνες (neuron models) ικανών να μιμηθούν την φυσική λειτουργία των βιολογικών νευρώνων. Συγκεκριμένα, έγινε μελέτη κάποιων μοντέλων για νευρώνες που παρουσιαστήκαν τα τελευταία χρόνια και στην συνέχεια, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα από τα μοντέλα αυτά κάνοντας χρήση κυκλωμάτων χαμηλής τάσης τροφοδοσίας στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain). Η γρήγορη ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής στην υλοποίηση συστημάτων υψηλής αξιοπιστίας και απόδοσης μικρού βάρους και όγκου όπως φορητών ηλεκτρονικών πολυμέσων, επικοινωνιών, βιοϊατρικών συσκευών, ωθεί στην σχεδίαση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που τα απαρτίζουν με μειωμένη κατανάλωση ισχύος και κατ’ επέκταση χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Αρχικά, γίνεται μια εισαγωγή για τη σχεδίαση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για λειτουργία σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Ακολούθως, δίνεται η περιγραφή της δομής και της λειτουργίας ενός βιολογικού νευρώνα και στην συνέχεια η περιγραφή των δύο βασικών μοντέλων νευρώνα (neuron models) που μελετήθηκαν στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας. Επίσης, παρουσιάζεται μία πρόσφατη υλοποίηση του βασικού μοντέλου νευρώνα των Mihalas και Niebur που ερευνάται στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, στο πεδίο του λογαρίθμου καθώς και τα μοτίβα αιχμών τα οποία είναι ικανό να παράγει το συγκεκριμένο μοντέλο στο πεδίο του λογαρίθμου. Τον πυρήνα στην σχεδίαση των συγκεκριμένων μοντέλων για νευρώνες που μελετώνται, αποτελεί η τοπολογία του Tau-Cell. Η συγκεκριμένη βαθμίδα χρησιμοποιείται για την συστηματική σχεδίαση φίλτρων στο πεδίο του λογαρίθμου (Log-Domain filters). Έπειτα, αναλύεται η μέθοδος σχεδίασης κυκλωμάτων, και συγκεκριμένα φίλτρων, χαμηλής τάσης τροφοδοσίας στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain). Παρουσιάζονται οι βασικούς τελεστές καθώς και τα βασικά cells, για την σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain). Στην συνέχεια, περιγράφεται η σχεδίαση της τοπολογίας του Tau-Cell η οποία όπως αναφέραμε, αποτελεί τον πυρήνα στην υλοποίηση μοντέλων για νευρώνες, στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου και επιβεβαιώνεται η ορθή λειτουργία της συγκεκριμένης βαθμίδας, με την σχεδίαση και εξομοίωση φίλτρων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, με βασικό στοιχείο το Tau-Cell στο Analog Design Environment του λογισμικού της Cadence σε τεχνολογία της AMS CMOS 0.35μm. Αφότου έχει ολοκληρωθεί η σχεδίαση του Tau-Cell στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, περιγράφεται στην συνέχεια η υλοποίηση του μοντέλου νευρώνα των Mihalas και Niebur στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Κάνοντας χρήση της βαθμίδας του Tau-Cell στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, γίνεται η υλοποίηση και στην συνέχεια η εξομοίωση, δύο βασικών κυκλωμάτων του μοντέλου, με βάση την ήδη υπάρχουσα υλοποίηση τους στο πεδίο του λογαρίθμου, ικανών να παράγουν διάφορα μοτίβα αιχμών (spiking patterns) με βάση το συγκεκριμένο μοντέλο του νευρώνα. Η ορθή λειτουργία των δύο αυτών κυκλωμάτων του μοντέλου με βάση τα μοτίβα αιχμών (spiking patterns) που είναι ικανά να παράγουν, επιβεβαιώνεται από τις εξομοιώσεις στο περιβάλλον του Analog Design Environment του λογισμικού της Cadence σε τεχνολογία της AMS CMOS 0.35μm. Τέλος, παρουσιάζεται η φυσική σχεδίαση (layout) των δύο βασικών κυκλωμάτων του μοντέλου νευρώνα καθώς και τα αποτελέσματα από την post-layout εξομοίωση του μοντέλου. Η φυσική σχεδίαση πραγματοποιήθηκε μέσω του λογισμικού Cadence το οποίο και περιέχει το περιβάλλον φυσικής σχεδίασης αναλογικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων Virtuoso Layout Editor. Η τεχνολογία που χρησιμοποιήθηκε αναφέρεται ως AMS C35D4 CMOS διαστάσεων 0.35μm. / This present M.Sc. Thesis is focused its interest in the study of neuron models that emulate the physical behavior of biological neurons. More specifically, we present a study of some neuron models that have been presented the last years and we proceed with the design and the implementation one of them using low voltage circuits in the Sinh-Domain. Τhe radical technological developments of microelectronics in the systems implementation with high reliability and performance, such as portable electronic devices for multimedia, communications and biomedical systems, demand the design of integrated circuits with reduced power consumption and thus low voltage supply. Initially, an introduction for the design of integrated circuits in low voltage environment is given and, also, the description of the structure and behavior of a biological neuron. Next, an analysis of two recently introduced neuron models realized in the Log-Domain, from which the Mihalas and Niebur neuron model constitutes the basic model studied in the context of this work and, also, the basic spiking patterns, that this implementation of the Mihalas-Niebur neuron model is capable of producing. The core in the implementation of this neuron models, is the topology of Tau-Cell. The topology of Tau-Cell is used for the systematic design of filters in the Log-Domain. Thereafter, is given an analysis of the method of designing low voltage circuits and more specifically filters, in the Sinh-Domain. The basic operators and the principal cells, for designing circuits in the Sinh-Domain are presented. Then, the design and implementation of the Tau-Cell topology which as mentioned is the core for the implementation of neuron models, is realized in the Sinh-Domain. The proper operation of this topology is confirmed through the design and simulation of filters in the Sinh-Domain, in the Analog Design Environment of Cadence using the AMS CMOS 0.35μm technology. After the design of the Tau-Cell in the Sinh-Domain, we continue with the implementation of the Mihalas-Niebur neuron model. Using the topology of Tau-Cell in the Sinh-Domain, we proceed with the implementation and the simulation of the basic two topologies of the neuron model based on the existing implementation in the Log-Domain. The implemented topologies of the neuron are capable of producing spiking patterns based to the Mihalas-Niebur neuron model. The proper operation of these topologies based on the spiking patterns that are capable of producing, is confirmed through the design and simulation in the Sinh-Domain, in the Analog Design Environment of Cadence using the AMS CMOS 0.35μm technology. Finally, is presented the layout design of the main two topologies of the neuron model and also the results of the post-layout simulations. The layout was conducted via the Cadence software through Virtuoso Layout Editor. The technology used is referred as AMS C35D4 CMOS in 0.35μm dimensions.

Η παρούσα Διπλωματική Εργασία εστίασε το ενδιαφέρον της στην ανίχνευση του QRS συμπλέγματος στα ηλεκτροκαρδιογραφήματα με σκοπό τον εντοπισμό χρόνιων ή μη παθήσεων της ανθρώπινης καρδιάς. Το σύστημα αυτό αποτελείται από ένα ζωνοπερατό φίλτρο 2ης-τάξης, ένα διαφοριστή, έναν τετραγωνιστή και ένα βαθυπερατό φίλτρο 1ης-τάξης. Η υλοποίηση του συστήματος γίνεται με χρήση MOS transistor τα οποία λειτουργούν στην περιοχή υποκατωφλίου. Η χρήση μικρών ρευμάτων πόλωσης επιτρέπει τη σχεδίαση συστημάτων με χαμηλή κατανάλωση ισχύος και ταυτόχρονα 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 τοπολογίας για το αναλογικό τμήμα του συστήματος. Για το σκοπό αυτό προτείνεται η συστηματική σχεδίαση φίλτρων υψηλής τάξης στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, με χρήση ήδη υπαρχόντων μη-γραμμικών διαγωγών υπερβολικού ημιτόνου, συνημίτονου. Η συμπίεση-αποσυμπίεση του προς επεξεργασία σήματος επιτυγχάνεται με την κατάλληλη τοποθέτηση συμπληρωματικών τελεστών ενώ ταυτόχρονα διατηρείται γραμμική η συνολική συμπεριφορά των διατάξεων. Η εφαρμογή της μεθόδου του κατωφλίου, ωστόσο, αλλά και η επαλήθευση της λειτουργίας του αναλογικού μέρους, πραγματοποιήθηκε με τη χρήση του λογισμικού Matlab. Η σχεδίαση των κυκλωμάτων σε όλα τα επίπεδα ιεραρχίας πραγματοποιήθηκε με τη χρήση του λογισμικού Cadence και με το Design Kit που παρέχεται από την τεχνολογία AMS CMOS C35 0.35μm. / This M.Sc. Thesis focused on proper detection of QRS complex on electrocardiograms to identify chronic or non-chronic diseases of human heart. This system consists of a 2nd-order bandpass filter, a differentiator, a squarer and a 1st-order low-pass filter. The system implementation is using MOS transistors operating in the subthreshold region. The use of low-level bias currents allows the design of systems with low power consumption and simultaneously implementing large resistance values , which are necessary for the realization of large time constants required for the management of low frequency biomedical signals. The aim of this thesis is to develop topology for the analog subsystem. For this purpose a systematic design of high order filters in the field of Sinh-Domain , using existing trims nonlinear hyperbolic sine and cosine. The compression - expansion of the signal to be processed is achieved by proper placement of additional constants while maintaining the total linear behavior of the devices. The application of the threshold, however, but also to verify the operation of the analog part , performed using the software Matlab. The design of circuits at all levels of hierarchy was performed using the software Cadence and the Design Kit provided by technology AMS CMOS C35 0.35μm.

Αντικείμενο της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η σχεδίαση ενός ενισχυτή χαμηλής τάσης τροφοδοσίας για την ανίχνευση καρδιακών σημάτων σε βηματοδότες. Οι επιταγές της σύγχρονης τεχνολογίας για τα ολοκληρωμένα κυκλώματα είναι η χαμηλή κατανάλωση ισχύος, η χρήση χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, η μείωση του κόστους παραγωγής, οι όλο και μικρότερες διαστάσεις των transistors και ταυτόχρονα υψηλές επιδόσεις. Η χρήση όμως της χαμηλής τάσης τροφοδοσίας αποτελεί πρόκληση από σχεδιαστικής άποψης, για την ταυτόχρονη μείωση της κατανάλωσης ισχύος χωρίς να υποβαθμίζεται η ποιότητα του σήματος. Αυτό το πρόβλημα λύνουν μέθοδοι όπως η σχεδίαση στο πεδίο του λογαρίθμου. Τα συστήματα στο πεδίο του λογαρίθμου (Log-Domain systems) αποτελούν υποκατηγορία των συστημάτων συμπίεσης – αποσυμπίεσης (companding systems) και ανήκουν στα ELIN (Externally Linear Internaly Non-linear) συστήματα. Τα πλεονεκτήματα των συστημάτων στο πεδίο του λογαρίθμου είναι η μεγάλη δυναμική περιοχή (Dynamic Range), η δυνατότητα επεξεργασίας μεγάλων σημάτων (large signal), καθώς και η λειτουργία σε περιβάλλον χαμηλής τροφοδοσίας. Υλοποιώντας φίλτρα στο πεδίο του λογαρίθμου προσφέρονται ελκυστικά χαρακτηριστικά όπως η ηλεκτρονική ρύθμιση της συχνότητας αποκοπής ή κεντρικής συχνότητας (electronic tuning) και η σχεδίαση χωρίς παθητικές αντιστάσεις (resistorless realization). Η καρδιά είναι ένα περίπλοκο σύστημα το οποίο φροντίζει για την κυκλοφορία του αίματος στο σώμα. Το έναυσμα για την εκκίνηση κάθε καρδιακού κύκλου προέρχεται από ένα ηλεκτρικό σήμα το οποίο ξεκινάει από το φλεβοκόμβο και διαδίδεται στο υπόλοιπο μυοκάρδιο, για να ξεκινήσει ένας νέος καρδιακός κύκλος. Σε ορισμένες περιπτώσεις η καρδιά δεν λειτουργεί σωστά και το ρόλο του φλεβοκόμβου έρχεται να καλύψει το ηλεκτρονικό σύστημα του βηματοδότη, το οποίο ανιχνεύει το καρδιακό σήμα και όταν κριθεί απαραίτητο εφαρμόζει την κατάλληλη θεραπεία με ηλεκτρικές ώσεις. Για την βελτίωση της ποιότητας ζωής ασθενών με καρδιακά προβλήματα ένας βηματοδότης πρέπει να έχει όσο δυνατόν μικρότερο μέγεθος και μεγαλύτερη αυτονομία. Η πρόοδος της τεχνολογίας αποζητά τη σχεδίαση ενός συστήματος ενισχυτή για την ανίχνευση καρδιακών σημάτων πλέον ικανό να ανταπεξέλθει στη χαμηλή τάση τροφοδοσίας και να έχει μεγάλη αυτονομία λειτουργίας για την εισαγωγή του π.χ. σε ένα βηματοδότη. Το σύστημα που προτείνεται σε αυτή τη Διπλωματική Εργασία έχει ως σκοπό να εκπληρώσει τις ανάγκες αυτές χρησιμοποιώντας κυκλώματα τα οποία μπορούν να λειτουργήσουν σε χαμηλή τάση τροφοδοσίας και ταυτόχρονα να μειώνουν την κατανάλωση ισχύος. Η υλοποίηση των κυκλωμάτων μόνο με CMOS transistors στην περιοχή υποκατωφλίου, εκτός του γεγονότος ότι μειώνει το κόστος παραγωγής καθώς δεν χρησιμοποιούνται BJT transistors, προσφέρει λόγω της τεχνικής σχεδίασης στο πεδίο του λογαρίθμου και μεγάλη δυναμική περιοχή. Για την τεχνολογία 0.35μm της AMS επιτυγχάνεται λειτουργία σε περιβάλλον με 0.5V τάση τροφοδοσίας και κατανάλωση ισχύος της τάξης των 2.92nW. Ο ενισχυτής για την ανίχνευση καρδιακών σημάτων που προτείνεται, περιλαμβάνει ένα ζωνοπερατό φίλτρο σχεδιασμένο στο πεδίο του λογαρίθμου και τα κυκλώματα απόλυτης τιμής, μετατροπής της ενεργής τιμής σήματος σε σταθερό ρεύμα και συγκριτή ρεύματος. / This M.Sc Thesis deals with the design of a low voltage cardiac sense amplifier for pacemakers. The demands of modern technology for integrated circuits are low power consumption, ultra low power supply voltage, reduction of the production cost and high performance. Due to the fact that the use of low power supply voltage is a design challenge, the employment of the Log-Domain filter technique is an attractive solution for realizing high-performance analog processing systems. Log-Domain systems are a sub-category of compading (compressing/expanding) systems and belong to ELIN (Externally Linear Internaly Non-linear) systems. The advantages of Log-Domain systems are large dynamic range, handling of signals with relatively large amplitude, realization in a low-voltage environment, electronic tuning of their frequency characteristics and resistorless realizations. The heart is a complex system that takes care of blood circulation for the whole body. The trigger to commence the cardiac cycle is an electric signal which starts from the sinus node and expands to the rest of the myocardium in order for a new cardiac cycle to set off. In some cases, the heart does not function properly and the role of the sinus node is taken by a pacemaker, who senses the cardiac signal and when it is judged, it cures the problem with an electric pulse. In order to improve the patient’s quality of life a pacemaker has to be small in size and a prolonged battery life. Technological evolution and market demands have led to a demand for a design of a cardiac sense amplifier capable of coping with low power supply voltage and long battery life. The proposed system of this M.Sc thesis is meant to fulfill these needs by using circuits capable of functioning in a low power supply voltage environment as well as reducing power consumption. Implementing those circuits solely with CMOS transistors in the sub -threshold region, not only does it reduce the production cost since no BJT transistors are used but also it offers a large dynamic range due to the design of the circuits. For the AMS 0.35μ CMOS process of by the system functions for a power supply voltage of 0.5V while it dissipates 2.92nW. The proposed cardiac sense amplifier consists of a bandpass Log-Domain filter and circuits like an absolute value circuit, an rms-dc current converter circuit and a current comparator, which were carefully designed in order to follow the demands of modern technology and achieve the goal of low power dissipation.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστίασε το ενδιαφέρον της στην διερεύνηση των αναλογικών ολοκληρωμένων φίλτρων της κατηγορίας ELIN εξωτερικά γραμμικά, εσωτερικά μη-γραμμικά. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν και σχεδιάστηκαν, νέες δομές φίλτρων συμπίεσης-αποσυμπίεσης του προς επεξεργασία σήματος στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Η γοργή ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής στην υλοποίηση συστημάτων υψηλής αξιοπιστίας και απόδοσης μικρού βάρους και όγκου όπως φορητών ηλεκτρονικών πολυμέσων, επικοινωνιών, βιοϊατρικών συσκευών, ωθεί στην σχεδίαση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που τα απαρτίζουν με μειωμένη κατανάλωση ισχύος και κατ’ επέκταση χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Σ’ ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα η ενσωμάτωση αναλογικών και ψηφιακών κυκλωμάτων σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, ώστε το κόστος των διατάξεων να διατηρείται χαμηλό, επηρεάζει άμεσα την απόδοση του αναλογικού τμήματος, προτάσσοντας την ανάγκη για νέες αρχιτεκτονικές σχεδίασης του. Οι διατάξεις των αναλογικών φίλτρων αποτελούν συχνά δομικό στοιχείο των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και η διερεύνηση τους για την επίτευξη μεγάλης δυναμικής περιοχής, ηλεκτρονική ρύθμισης της απόκρισης συχνότητας και ταυτόχρονα χαμηλής κατανάλωσης ισχύος, έχει απασχολήσει αρκετά το ενδιαφέρον της ερευνητικής κοινότητας. Προτείνεται αρχικά η συστηματική σχεδίαση φίλτρων υψηλής τάξης στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, αποσκοπώντας στη βελτίωση της διαδικασίας υλοποίησης τους, με χρήση ήδη υπαρχουσών μη-γραμμικών διαγωγών υπερβολικού ημιτόνου, συνημίτονου. Η συμπίεση-αποσυμπίεση του προς επεξεργασία σήματος επιτυγχάνεται με την κατάλληλη τοποθέτηση συμπληρωματικών τελεστών ενώ ταυτόχρονα διατηρείται γραμμική η συνολική συμπεριφορά των διατάξεων. Με γνώμονα την εφαρμογή τους σε βιοϊατρικές συσκευές, εξομοιώνεται με δύο διαφορετικούς τρόπους φίλτρο 3ης τάξης leapfrog με συχνότητα αποκοπής 10Hz και τα αποτελέσματα που προκύπτουν συγκρίνονται με αντίστοιχο γραμμικής συμπεριφοράς. Στην συνέχεια, υλοποιείται η σχεδίαση BiCMOS φίλτρων οποιασδήποτε τάξης, δομημένα από μη-γραμμικούς διαγωγούς υπερβολικού ημιτόνου με δυνατότητα λειτουργίας σε υψηλές συχνότητες και σε χαμηλή τάση τροφοδοσίας. Επιλέγονται οι μέθοδοι του γραμμικού μετασχηματισμού, λειτουργικής και τοπολογικής εξομοίωσης ενός πρωτότυπου ελλειπτικού βαθυπερατού 3ης τάξης με συχνότητα αποκοπής 0.5 kHz και κυμάτωση στην ζώνη διέλευσης 0.5dB. Ακολουθεί ανάλυση και σύγκριση των αποτελεσμάτων που προκύπτουν στο περιβάλλον Analog Virtuoso της Cadence Software, της τεχνολογίας AMS CMOS S35 0.35μm, μεταξύ των φίλτρων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου καθώς και με αντίστοιχες διατάξεις στο πεδίο του λογαρίθμου τάξης-ΑΒ και (OTA)-C στο γραμμικό χώρο. Προτείνεται ακόμη, η BiCMOS σχεδίαση γενικευμένων φίλτρων 2ης τάξης απλής εισόδου-πολλαπλών εξόδων και πολλαπλής εισόδου-απλής εξόδου, με δυνατότητα λειτουργίας σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, ηλεκτρονικής ρύθμισης της συχνότητας αποκοπής ω0 του συντελεστή ποιότητας Q και της ορθογώνιας μεταβολής μεταξύ των. Από την εξομοίωση τους πρόκυψε ότι είναι ενεργειακά αποδοτικότερη η υλοποίηση τους συγκρινόμενα με αντίστοιχα στο πεδίο του λογαρίθμου. Τέλος, στα πλαίσια υλοποίησης βιοϊατρικών εφαρμογών προτείνεται η σχεδίαση ενός μη-γραμμικού τελεστή ενέργειας στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου για την ανίχνευση αιχμών δραστηριότητας σε νευρωνικά δίκτυα με τάση τροφοδοσίας 0.5V. Ο μη-γραμμικός διαγωγός υπερβολικού ημιτόνου, του οποίου ο διαγραμμικός βρόγχος αποτελείται από (pMOS) τρανζίστορ δομεί τους διαφοριστές και πολλαπλασιαστές τεσσάρων τεταρτημορίων τάξης-ΑΒ που απαρτίζουν την διάταξη. Εξομοιώνεται, κάνοντας χρήση CMOS τρανζίστορ της τεχνολογίας TSMC 130 nm, στο περιβάλλον Analog Virtuoso της Cadence Software και συγκρινόμενος με ήδη υπάρχουσες διατάξεις, παρουσιάζει την μικρότερη κατανάλωση ισχύος. / This present Ph.D dissertation is focused its interest on the design of low voltage analog integrated circuits. Companding (compressing-expanding) systems are Externally Linear, Internally Non-linear (ELIN) processors with potential for low-voltage operation capability. In this direction novel topologies of companding filters in the Sinh-Domain are introduced. Τhe radical technological developments of microelectronics in the systems implementation with high reliability and performance, such as portable electronic devices for multimedia, communications and biomedical systems, demand the design of integrated circuits with reduced power consumption and thus low voltage supply. Integration of analog and digital circuits of systems-on-chip – (SoC) in order to be kept the low cost, directly affects the performance of the analog section, pointing forward the need for novel architectural design. One of the basic building blocks for circuit design is analog filters and their investigation in order to achieved large dynamic range, electronic tuning capability of their frequency characteristics which has gained a significant research effort toward these goals. At first, a new systematic method for designing Sinh-Domain filters is introduced. The proposed method offers the benefits of facilitating the design procedure of high-order Sinh-Domain filters using already introduced building blocks and of the absence of any restriction concerning the type and/or the order of the realized filter function. This is achieved by employing an appropriate set of complementary operators, in order to transpose the conventional functional block diagram representation of each linear operation to the corresponding one into the Sinh-Domain. In order to demonstrate the validity of the proposed systematic method, 3rd order leapfrog low-pass filter with a cut-off frequency at 10Hz which is typical for biomedical applications, has been realized following two alternative approaches and, also, a comparison has been performed among them and a conventional linear filter where the most important performance factors have been taken into account. Continuing, novel BiCMOS sinh-domain filter topologies, derived according to operational emulation, component substitution techniques and Linear Transformation of the corresponding 3rd-order passive prototype filters, with a cut-off frequency at 0.5 kHz and pass-band ripple 0.5dB, is proposed. This has been achieved by utilizing BiCMOS nonlinear ransconductor cells into the sinh domain. An attractive benefit of the proposed filter topologies is their capability for operating in high frequencies and a low-voltage environment. The performance of a leapfrog sinh-domain filter has been compared, using the Analog Design Environment of the Cadence software using AMS CMOS S35 0.35μm, with those of the corresponding log-domain and operational ransconductance amplifier (OTA)-C filters. Furthermore, the design of a family of Sinh-Domain universal biquad filters are introduced offering the benefits of low-voltage operation and, simultaneously, power efficient realizations in comparison with the corresponding already proposed biquads. Also, they have the capability for orthogonal adjustment between the resonance frequency and Q factor of the filter and these parameters could be also electronically adjusted through appropriate dc currents. Thus, they could be considered as attractive blocks for realizing high-performance analog signal processing systems. Finally, a Sinh-Domain topology for realizing the Non Linear Energy Operator (NEO) is introduced. For this purpose, a novel Sinh-Domain differentiator is proposed which offers the benefits of ultra low-voltage operation capability and electronic tuning of the realized time-constant. The whole system is also constructed from a four-quadrant current multiplier, realized by employing appropriately configured non-linear transconductors. Considering a single power supply voltage of 0.5V, the behavior of the proposed Sinh-Domain NEO realization has been simulated using the Analog Design Environment of the Cadence software using TSMC 130 nm design hit.