تحلیل، طراحی و ساخت میکروتراشه واسط حسگرهای بیومدیکال

هزاران سال است که تلاش های زیادی به منظور بهبود و یا افزایش کیفیت زندگی افراد بیمار انجام شده است. امروزه، گستره این تلاش ها به جایی رسیده است که دیگر بدون دخالت علم الکترونیک رسیدن به اهداف پیش رو غیر ممکن شده است. حوزه این فعالیت ها شامل کنترل اعضای مصنوعی توسط افراد معلول، تشخیص و درمان بیماری های عصبی (مانند حمله صرع و پارکینسون) و بیماری های قلبی، بازگرداندن بینایی به افراد نابینا و شنوایی به افراد کم شنوا و یا ناشنوا و ... می باشد. برای رسیدن به این قابلیت ها، به سیستم های واسط حسگر بیومدیکال نیاز است که از طریق حسگرها، سیگنال های بیومدیکال را دریافت کرده و پس از تقویت و فیلتر کردن، سیگنال ها را به کدهای دیجیتال تبدیل کنند تا آماده پردازش شوند. در این رساله سعی شده که به طور هم زمان، ملاحظات طراحی مورد نیاز شامل سطح سیلیکون اشغالی، توان مصرفی و خطینگی تقویت کننده، که نقش فیلتر را نیز دارد، برآورده گردد و در عین حال فرکانس های قطع و بهره تقویت کننده قابل تنظیم باشند. علاوه بر این شبه مقاومتی پیشنهاد شده که برای دو محدوده فرکانسی مختلف قابل تنظیم بوده و در عین حال تا جای ممکن خطی شده است. همچنین تاثیر ساختار مبدل آنالوگ به دیجیتال بر کاهش توان مصرفی سیستم واسط حسگر بیومدیکال نیز به طور جامع بررسی شده است. ساختاری برای زمان بندی مبدل آنالوگ به دیجیتال پیشنهاد شده که موجب کاهش توان مصرفی سیستم می گردد. علاوه بر این، به منظور کاهش سطح اشغالی و توان مصرفی در سیستم های واسط حسگر بیومدیکال چند کاناله، سیستمی پیشنهاد شده که علاوه بر کاهش سطح اشغالی تراشه، توان مصرفی نیز در آن کاهش یافته است. تقویت کننده تک کاناله طراحی شده در تکنولوژی 0.18 ?m و تغذیه 1.8 v پیاده سازی و ساخته شده است. نتایج تست تراشه نشان می دهد که تقویت کننده دارای بهره باند میانی قابل تنظیم از 52.5 db تا 57.5 db می باشد. همچنین فرکانس قطع پایین مدار (fl) در دو محدوده 4 hz و 300 hz قابل شکل دهی بوده که در فرکانس 300 hz قابل تنظیم نیز می باشد. فرکانس قطع بالای تقویت کننده 10 khz و قابل تنظیم است. نویز ارجاع داده شده به ورودی تقویت کننده و ضریب کارایی نویز (nef) آن به ترتیب برای fl = 300 hz برابر با 2.38 ?vrms و 3.07 و برای fl = 4 hz برابر با 2.6 ?vrms و 3.38 می باشد. همچنین اعوجاج (thd) کل تقویت کننده برای ورودی های با دامنه کوچک تر از 3.9 mvp-p کمتر از 1% باقی می ماند. توان مصرفی تقویت کننده به همراه مدارهای بایاس برابر با 20.8 ?w می باشد. سطح اشغال شده توسط تقویت کننده بر روی تراشه برابر با 0.065 mm2 است. علاوه بر این، مبدل آنالوگ به دیجیتال sar آسنکرون پیشنهاد شده برای مدارات واسط حسگر بیومدیکال قادر است که تنها با استفاده از یک مولد کلاک خارجی 200 khz، از 8 کانال با نرخ 25 ks/s نمونه برداری کند. استفاده از این مبدل باعث کاهش 40% توان مصرفی مدار پیشران مبدل نسبت به ساختارهای متداول سنکرون شده است. ضمناً تقویت کننده 8 کاناله پیشنهاد شده تنها 6.12 µw در ازای هر کانال از تغذیه 1.8 v مصرف می کند. نویز ارجاع داده شده به ورودی هر کانال در این ساختار برابر با 3.69 µvrms و nef آن برابر با 2.57 می باشد.