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.