Ο μετασχηματισμός κυματιδίου (wavelet transform) είναι ένα αποτελεσματικό εργαλείο για την ανάλυση σημάτων. Ο κυριότερος λόγος είναι ότι προσφέρει το πλεονέκτημα της χρήσης μεγάλων χρονικών παραθύρων εκεί όπου απαιτείται ακρίβεια σε πληροφορίες χαμηλής συχνότητας και μικρότερων χρονικών παραθύρων εκεί όπου απαιτείται ακρίβεια σε πληροφορίες υψηλής συχνότητας. Δηλαδή έχει την ικανότητα “τοπικής ανάλυσης”, δηλ. να αναλυθεί μία εντοπισμένη περιοχή ενός μεγαλύτερου σήματος. Στην εργασία αυτή προτείνεται μια νέα υλοποίηση φίλτρου που υλοποιεί το μετασχηματισμό κυματιδίου, με δομικά στοιχεία μη γραμμικούς διαγωγούς στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Το φίλτρο χρησιμοποιείται για την “τοπική ανάλυση“ του καρδιακού σήματος με στόχο την ανίχνευση καρδιακών βλαβών. Κύρια πλεονεκτήματα αποτελούν η δυνατότητα λειτουργίας σε πολύ χαμηλή τάση τροφοδοσίας (0.6V), η χαμηλή κατανάλωση ισχύος, και η ρύθμιση των χαρακτηριστικών του φίλτρου από το ρεύμα πόλωσης. Η εξομοίωση της λειτουργίας του κυκλώματος καθώς και η φυσική σχεδίαση έγιναν με χρήση του λογισμικού Cadence, σε τεχνολογία AMS 0.35μm. / The wavelet transform is an efficient tool for signal analysis. The main reason of its efficiency is that it offers the advantage of using large time windows where precision is required in the low frequency information and shorter windows required accuracy at high frequencies information. It has the ability of “local analysis” i.e. to analyze a localized area to a larger signal. In this paper we propose a new implementation of a filter that materializes the wavelet transform, with nonlinear transconductor components in sinh domain. The filter used for “local analysis” of the cardiac signal in order to detect heart malfunctions. Main advantages are the abilities to operate at very low supply voltage (0.6V), low power consumption and regulation characteristics of the filter from the bias current. The simulation process of the circuit and physical design were done using the Cadence software, in AMS 0.35mm technology.

La stimulation électrique des tissus neuronaux est une technique largement utilisée dans la recherche en neuroscience et à des fins thérapeutiques. Ce travail est une contribution à la conception des circuits et systèmes électroniques de stimulation. De tels circuits sont requis dans quatre projets multi-disciplinaires en cours dans l’équipe Elibio de l’IMS, présentés dans ce document : STN-Oscillations (ANR 08-MNPS-036) concernant l’étude de la Stimulation Cérébrale Profonde(SCP), HYRENE (ANR 2010-Blan-031601), ayant pour but le développement d’un systèmehybride de restauration de l’activité motrice dans le cas d’une lésion de la moelle épinière, BRAINBOW (European project FP7-ICT-2011-C), ayant pour objectif l’élaboration de neuro-prothèses innovantes capables de restaurer la communication autour de lésions cérébrales, CENAVEX (ANR et NSH AN13-NEUIC-0001-01), visant au développement d’un système de stimulation en boucle fermée pour le contrôle de la respiration. Cette thèse propose une approche de conception globale qui aboutira au développement d’un système multi-applications, prenant en compte les spécificités de chaque contexte.Dans un premier temps, afin d’évaluer les contraintes liées à l’expérimentation in vivo et in vitro, deux stimulateurs spécifiques ont été réalisés. Le premier permet la SCP chronique du rat,résout la contrainte énergétique à l’aide d’une gestion dynamique de l’alimentation. Ce dispositif a été fabriqué et implanté in vivo avec succès. Une expérimentation à long terme a été effectuée afin de valider ses propriétés sur l’animal. Dans un second temps, un autre stimulateur a été conçu en utilisant un FPAA (Field Programmable Analog Array). La conception de ce circuit se concentre sur l’équilibrage des charges nécessaire à l’innocuité des sytèmes. L’architecture obtenue permet une stimulation biphasique adaptative résultant en un faible courant équivalent de fuite (moins d’un nano Ampère). Afin d’aboutir à un stimulateur multi-application, un travail préliminaire de modélisation de l’impédance de l’électrode, l’élément de charge du circuit de stimulation, a été mené. Une méthode de mesure et d’identification d’un modèle non-linéaire est détaillée, basée sur une approche par multi-modèles et fractionnaire.L’approche multi-application est ensuite mise en oeuvre, basée sur un effet d’échelle pour le dimensionnement des stimulateurs. Cet effet d’échelle lie la géométrie de l’électrode, le nombre de canaux requis par application et les niveaux de courant mis en jeu : cet effet permet de proposer une architecture de circuit multi-application. Un circuit intégré démontrant la faisabilité d’un tel système a été conçu, fabriqué et testé avec succès. Un système de stimulation multi-application basé sur ce circuit a été conçu, permettant de nouvelles recherches sur les quatre contextes physiopathologiques présentés.Enfin, un critère de mérite dédié à la stimulation est proposé. Ce critère prend en compte l’efficacité énergétique et l’équilibrage des charges afin d’évaluer le degré d’optimisation d’un circuit ou d’un système. Un tel critère de mérite est un concept novateur qui devrait permettre une optimisation rationnelle des architectures de stimulation. / Electrical stimulation of neural tissues is a widely used technique for both neuroscience explorations and innovative medical devices. This work is a contribution to the design of electrical stimulation circuits and systems. Stimulators are part of the experimental setup in several multi-disciplinary projects conducted at IMS (groupElibio), presented in this document : STN-Oscillations(French ANR 08-MNPS-036), studyingDeep Brain Stimulationmecha-nisms (DBS), HYRENE(French ANR 2010-Blan-031601), aimed at developing a hybrid system couplingartificial and biological neural networks to restore locomotion after spinal cord lesion, BRAINBOW(European Project FP7-ICT-2011-C), working on designing a neuro-prosthesis capable of restoring lost communication between neuronal circuits, CENAVEX(French ANR and American NSH AN13-NEUIC-0001-01), proposing a noveldesign for a closed-loop system for respiration control. This thesis integrates the specificities of each context and considers global therapeuticapplication issues, with the aim of proposing an original, global approach to designing thearchitecture of a multi-application stimulator.First, in order to evaluate the constraints related to ourin vivoandin vitrocontexts, anembedded stimulator for chronic DBS experiments in rodents was developed and successfullyimplantedin vivo. This design was optimized for power management during long-term experi-ments. The stimulator characteristics were assessed with behavioural tests on a rat population.Then a second, specific stimulator was designed usingField Programmable Analog Arraysforaccurate charge balancing, as well as to fulfil strong constraints to ensure tissue integrity. Theproposed charge-sensing architecture produced adaptive biphasic stimulation with sub-nanoampere DC-equivalent current.With a view to a global approach to stimulator design, an accurate model of the electrodeimpedance was built, to represent the concrete load of a stimulator. A measurement protocolbased on biphasic current-controlled solicitations and a modelling procedure relying on anoriginal fractional multi-model are described.The first step in this multi-application design approach was to investigate an electrical sizingscale effect. This involves electrode geometry, the number of channels per application, and theimplied current levels. A proof-of-concept ASIC was designed and successfully tested. A boardfor adaptive stimulation was then able to be deployed in the ongoing research projects.Finally, a dedicated Figure of Merit is proposed for stimulation. This criterion takes energyefficiency and charge balancing into account to quantify the degree of optimization of a circuitor system. This Figure of Merit is a novel concept that facilitates rational optimization ofstimulation architectures.

<p>The sigma-delta techniques for analog-to-digital conversion have for long been utilized when high precision is needed. Despite the fact that these have been realized by a numerous of different structures, the theory of how to construct a sigma-delta ADC is not very extensive.</p><p>This thesis will assume that an SFG description of the CRFB sigma-delta modulator has been designed and presents a structured method to obtain a circuit realization of the integrators in a specific modulator.</p><p>The first activity is to scale the inputs to each integrator in order to make sure that the produced outputs of each integrator is within the output-range of the OTA which is used. The next thing that is presented is an algorithmic way of descending from the SFG design of the modulator down to a switched-capacitor implementation of the system.</p><p>To be able to continue with the circuit realization, one needs to do a rigorous noise analysis of the modulator, which gives the sizes of the different capacitors in the SC-circuits. The last topic of this thesis is a method to obtain the specifications of the OTA in each integrator.</p>

The sigma-delta techniques for analog-to-digital conversion have for long been utilized when high precision is needed. Despite the fact that these have been realized by a numerous of different structures, the theory of how to construct a sigma-delta ADC is not very extensive. This thesis will assume that an SFG description of the CRFB sigma-delta modulator has been designed and presents a structured method to obtain a circuit realization of the integrators in a specific modulator. The first activity is to scale the inputs to each integrator in order to make sure that the produced outputs of each integrator is within the output-range of the OTA which is used. The next thing that is presented is an algorithmic way of descending from the SFG design of the modulator down to a switched-capacitor implementation of the system. To be able to continue with the circuit realization, one needs to do a rigorous noise analysis of the modulator, which gives the sizes of the different capacitors in the SC-circuits. The last topic of this thesis is a method to obtain the specifications of the OTA in each integrator.

<p>U doktorskoj disertaciji su prikazani elektronski sistemi razvijeni za<br />obradu signala sa senzora promenjive izlazne impedanse, koji se mogu<br />koristiti za različite vrste senzora. Razvijen je prototip mernog sistema<br />pomoću diskretnih komponenti. Merenja izvedena na ovom prototipu dokazala<br />su da se sa izabranom mernom metodom mogu dobiti zadovoljavajući rezultati<br />merenja. Projektovanjem analognog dela elektronskog sistema u CMOS<br />tehnologiji smanjene su dimenzije i potrošnja elektronskog sistema za obradu<br />signala, a poboljšane su merne karakteristike u odnosu na izvedu u<br />diskretnoj tehnologiji.</p> / <p>In this thesis, an electronic system for signal processing of sensors with variable<br />impedance has been developed. It can be used with different types of sensors. A<br />prototype of electronic system has been developed using discrete components.<br />Measurements made with this prototype have proved that applied measurement<br />method can be used to obtain satisfying measurement results. By designing analog<br />parts of electronic system in CMOS technology, dimensions and power consumption<br />of the electronic system for signal processing and measurement characteristics have<br />been improved, comparing to the prototype developed using discrete components.</p>

Αντικείμενο της παρούσας Ειδικής Επιστημονικής Εργασίας είναι η μελέτη, σχεδίαση, εξομοίωση και φυσική σχεδίαση ενός αναλογικού μιγαδικού ζωνοδιαβατού φίλτρου 6ης τάξης. Βασικές δομικές μονάδες του φίλτρου είναι ενισχυτές ρεύματος οι οποίοι χρησιμοποιούν τη βαθμίδα “Flipped Voltage Follower”. Με τη συγκεκριμένη βαθμίδα είναι εφικτή η σχεδίαση όλων των επιμέρους κυκλωμάτων σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας-χαμηλής κατανάλωσης ισχύος. / The subject of this master thesis is the design, simulation and physical layout of a 6th order analog complex bandpass filter. The filter is constructed by current mirrors which are utilizing the cell "Fliped Voltage Follower". Thus, all of the circuits offer the benefit of operating in low-voltage/low-power environment.

Οι εφαρμογές της σύγχρονης τεχνολογίας επιτάσσουν τη χρήση συσκευών με όσο το δυνατόν μικρότερες διαστάσεις, χαμηλή τάση τροφοδοσίας, χαμηλή κατανάλωση ισχύος και ταυτόχρονα υψηλές επιδόσεις. Το αντικείμενο της εργασίας αυτής, αφορά στη σχεδίαση αναλογικών ολοκληρωμένων φίλτρων, χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, για υλοποίηση μεγάλων σταθερών χρόνου, στο πεδίο του λογαρίθμου. Προς αυτή την κατεύθυνση, μελετώντας και σχεδιάζοντας δομές αναλογικών φίλτρων στο πεδίο του λογαρίθμου, επιτεύχθηκε η σχεδίαση φίλτρων δεύτερης τάξης με μεγάλες σταθερές χρόνου, διατηρώντας τις φυσικές διαστάσεις των κυκλωμάτων σε εξαιρετικά χαμηλά επίπεδα. Αρχικά, παρουσιάζονται κάποια εισαγωγικά στοιχεία για την σχεδίαση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Γίνεται εισαγωγή στην ιδέα των λογαριθμικών φίλτρων και αναλύονται οι βασικές αρχές σχεδίασης. Παρουσιάζονται βασικά χαρακτηριστικά των κυκλωμάτων στο πεδίο του λογαρίθμου, καθώς και ανάλυση των τελεστών και των διαγωγών που αποτελούν τη βάση της σχεδίασης στο λογαριθμικό πεδίο. Επιπλέον, παρουσιάζονται οι υλοποιήσεις των ολοκληρωτών των φίλτρων στο πεδίο του λογαρίθμου. Στη συνέχεια, γίνεται τοπολογική εξομοίωση 2ης τάξης βαθυπερατών φίλτρων στο πεδίο του λογαρίθμου. Σχεδιάζονται φίλτρα με την κλασική μέθοδο υλοποίησης, κάνοντας χρήση ισοδύναμων των παθητικών στοιχείων στο λογαριθμικό πεδίο, αλλά και φίλτρα υλοποιημένα με διάγραμμα ροής (SFG). Παρουσιάζονται τα πρώτα αποτελέσματα των εξομοιώσεων που πραγματοποιήθηκαν με το λογισμικό Cadence και το γραφικό περιβάλλον που διαθέτει για την σχεδίαση αναλογικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων (Virtuoso Analog Environment). Προτείνονται, δύο κυκλώματα τα οποία πραγματοποιούν πολλαπλασιασμό της χωρητικότητας των πυκνωτών, επιτυγχάνοντας έτσι μεγάλες σταθερές χρόνου, και η υλοποίηση νέων ολοκληρωτών που κάνουν χρήση των πολλαπλασιαστών. Δημιουργούνται έτσι οι βάσεις για την υλοποίηση φίλτρων με εξαιρετικά μικρές διαστάσεις, των οποίων η σχεδίαση, η εξομοίωση και η φυσική σχεδίαση (layout design) παρουσιάζονται, αναλύονται και συγκρίνονται. / The technological evolution and market requirements have led to an increasing demand of low - power portable devices, featuring the reduced size of the devises and high efficiency. This M.Sc project deals with the design of analog integrated, Log - Domain filters, for low - voltage implementation, with large time - constants. In this direction, the design of a second order, low - pass filter, with the above features, and with the occupied silicon area maintained at very low levels, was achieved. In Chapters 1 and 2, an introduction to the design of integrated circuits in low voltage environment is presented. There is an introduction to the idea and the basic principles of Log - Domain filters. The key characteristics of circuits in a large signal operation point of view, and an analysis of the operators and the exponential transconductor cells are, also presented. Furthermore, the basic Log - Domain integrators has been analyzed. A topologic analysis of second order Log - Domain filters is given in Chapter 3. Filters has been initially designed firstly with the classic implementation, using Log - Domain equivalent of passive elements. In a second step, the filter has been realizes by employing the signal flow diagram (SFG) representation. These filters were simulated with the Analog Design environment of the Cadence software. the obtained simulation results confirmed the correct operation of the circuit. Two implementations for realizing the Log - Domain equivalent of a capacitor multiplier are introduced. In addition, implementations of new Log - Domain integrators, that use the capacitor multipliers, are given in Chapter 4. Using these implementations, Log - Domain filters, with reduced total area and large time - constants, are designed, simulated and characterized in Chapter 5. Finally, the layout design of a second - order has been performed in Chapter 6 and the provided post - layout simulation results show that the performance of the filter was close to that of the filter realized in schematic level.

La bioélectronique est un domaine interdisciplinaire qui étudie les interconnexions et les interactions entre entités biologiques (cellules, tissus, organes) et systèmes électroniques,par l’intermédiaire du transducteur adéquat. Pour des cellules ou des tissus excitables (neurones, muscles, ...), le transducteur prend la forme d’une simple électrode, car ces tissus produisent une activité électrique spontanée ou, dans le sens inverse, peuvent être excités par un signal électrique externe. Cette communication bidirectionnelle donne lieu à deux schémas expérimentaux : l’acquisition et la stimulation. L’acquisition consiste à enregistrer, traiter et analyser les bio-signaux alors que la stimulation consiste à appliquer le courant électrique adéquat aux tissus vivants, pour déclencher une réaction. Cette thèse se concentre sur ce dernier point : deux générations de système de stimulation ont été développées, chacune basée sur un circuit intégré spécifique et adaptée à différents contextes applicatifs.Tout d’abord, le cadre scientifique a été celui du projet CENAVEX, axé sur la stimulation électrique fonctionnelle pour réhabiliter la fonction respiratoire, suite à une lésion de la moelle épinière. Ensuite, les objectifs de conception ont été étendus pour couvrir de nouveaux besoins d’application : la surveillance de l’impédance électrique in situ et l’exploration des formes d’onde de stimulation originales. Le premier pourrait être une solution pour suivre la réaction tissulaire après l’implantation d’une électrode, contribuant ainsi à la biocompatibilité à long terme des implants ; le second propose d’aller au-delà dela conventionnelle impulsion biphasique carrée et d’explorer de nouvelles formes d’ondes qui pourraient être plus efficaces en termes de consommation d’énergie, pour un effet physiologique donné.Le travail présenté dans ce manuscrit contribue à la conception, à la fabrication et au test de dispositifs de stimulation innovants. Cela a conduit au développement de deux circuits intégrés et de deux dispositifs de stimulation permettant une stimulation multicanal.Les caractérisations électriques et les validations biologiques, de la faisabilité in vitro aux expériences in vivo, ont été menées et sont décrites dans ce manuscrit. / Bioelectronics is a cross-disciplinary field that studies interconnections and interactions between biological entities (cells, tissues, organs) and electronic systems, using the adequate transducer. For excitable cells or tissues (neurons, muscles, . . . ), the transducer takes the form of a simple electrode, as these tissues produce a spontaneous electrical activity or,in the opposite way, may be excited by an external electrical signal. This bi-directional communication gives rise to two experimental schemes: acquisition and stimulation. Acquisition consists in recording, processing and analyzing bio-signals whereas stimulation consists in applying the adequate electrical current to living tissues in order to trigger a reaction. This thesis focuses on the latter: two generations of stimulation systems have been developed, both being centered on an Application Specific Integrated Circuit, and adapted to different application contexts. First, the scientific framework was given by the CENAVEX project, focusing on Functional Electrical Stimulation to rehabilitate the respiratory function, following a Spinal Cord Injury. Then, the design objectives were extended to cover new application needs:in situ electrical impedance monitoring and exploration of original stimulation wave forms.The first one could be a solution to follow the tissue reaction after electrode implantation,hence contributing to long-term biocompatibility of implants; the second one proposes to go further the conventional constant biphasic pulse and explore new wave forms that couldbe most efficient in terms of energy consumption, for a given physiological effect.The work presented in this manuscript is a contribution to the design, fabrication and test of innovative stimulation devices. It leaded to the development of two integrated circuits and two stimulation devices permitting multichannel stimulation. Both electrical characterizations and biological validations, from in vitro feasibility to in vivo experiments, have been conducted and are described in this manuscript.

<p>У докторској дисертацији изведени су модели за фотоакустички одзив рефлексионе и трансмисионе конфигурације за оптички провидне двослојне узорке са топлотном меморијом, који представља генерализацију до сада коришћених модела и то у три правца: урачунат је утицај коначне брзине простирања топлоте кроз оба слоја, генерализован је модел тако да узме у обзир постојање запреминске апсорпције кроз оба слоја и урачунат је утицај ћелије минималне запремине која се понаша као Хелмхолцов резонатор. Применом овог модела на експериментална мерења показано је да се може проширити фреквентни опсег користан за карактеризацију и осликавање (имиџинг) различитих узорака чиме се повећава тачност одређивања термоеластичних и оптичких особина материјала, а посебно структура са ниским степеном уређења.</p> / <p>U doktorskoj disertaciji izvedeni su modeli za fotoakustički odziv refleksione i transmisione konfiguracije za optički providne dvoslojne uzorke sa toplotnom memorijom, koji predstavlja generalizaciju do sada korišćenih modela i to u tri pravca: uračunat je uticaj konačne brzine prostiranja toplote kroz oba sloja, generalizovan je model tako da uzme u obzir postojanje zapreminske apsorpcije kroz oba sloja i uračunat je uticaj ćelije minimalne zapremine koja se ponaša kao Helmholcov rezonator. Primenom ovog modela na eksperimentalna merenja pokazano je da se može proširiti frekventni opseg koristan za karakterizaciju i oslikavanje (imidžing) različitih uzoraka čime se povećava tačnost određivanja termoelastičnih i optičkih osobina materijala, a posebno struktura sa niskim stepenom uređenja.</p> / <p>In this dissertation, the models of photoacoustic (PA) response are derived for both reflection and transmission PA setup configurations of two-layered optically transparent samples with thermal memory. These models are considered a generalization of the models used so far, in three directions: first, the impact of finite heat propagation velocity through both layers is included, second, the existence of volume absorptionin both layers is taken into account, and third, the effect of the minimum volume cell acting as a Helmholtz resonator is examined. The application this model on the experimental measurements has shown the possibility of the extending the frequency range useful for characterization and imaging of different samples, thus increasing the accuracy of thedetermination of thermoelastic and optical properties of various</p>