30887

طراحي و شبيه‌سازي يك فيلتر مجتمع OTA-C پايين‌گذر با توان مصرفي كم براي كاربردهاي الكتروكارديوگرافي (ECG)

كارشناسي ارشد

مهندسي برق-مدارهاي مجتمع الكترونيك

1398

1402/04/20

دكتر سيد اديب ابريشمي‌فر

ندارم.

مهندسي برق

دنياي الكترونيك زيست‌پزشكي با قابليت‌ذاتي زياد براي توسعه در آينده، به‌سرعت در حال تغيير است. افزاره‌هاي زيست‌پزشكي بايد دقيق و از نظر اندازه متراكم باشند. در مورد افزاره‌هاي قابل‌حمل، مسائل مربوط به مصرف توان نيز اهميت پيدا مي‌كند. پژوهش حاضر يك فيلتر پايين‌گذر (LPF) تقويت‌كننده‌ي ترارسانايي عملياتي-خازن (OTA-C) مرتبه‌پنجم باترورث كم‌مصرف، متشكل‌از شش OTA و پنج خازن فلز-عايق-فلز (MIM)، براي اكتساب سيگنال‌هاي زيست‌پزشكي الكتروكارديوگرافي (ECG) پيشنهاد مي‌كند. OTA پيشنهادي، از تباهي سورس هم‌راه با تقسيم جريان و لغو جريان استفاده مي‌كند تا خطينگي را افزايش داده و ترارسانايي كوچك را پياده‌سازي كند. ترانزيستورهاي رانده‌شده با بدنه نيز به دليل امكان عملكرد با توان بسيار كم، براي تحقق OTA به‌كار گرفته شده‌اند. با تركيب اين روش‌ها، يك OTA با ساختار ورودي-تفاضلي خروجي-دوگانه رانده‌شده با بدنه به عنوان نخستين بلوك فيلتر و يك OTA با ساختار ورودي-تفاضلي خروجي-چندگانه رانده‌شده با بدنه براي تحقق پنج بلوك بعدي فيلتر طراحي گرديده‌است؛ كه بهره‌ي ولتاژي آن‌ها به‌ترتيب 34/10 و 30/93 دسي‌بل، و توان مصرفي هر يك به‌ترتيب 17/03 و 22/66 نانووات است. فيلتر مبتني‌بر اين OTAها با كاركردن تحت يك وارونگي ضعيف در ولتاژ تغذيه 1 ولت، توان مصرفي بسيار كم را تحقق مي‌بخشد. نتايج نشان مي‌دهد كه فيلتر پيشنهادي به اعوجاج هارمونيكي كل 40/16- دسي‌بل براي ولتاژ ورودي 98 ميلي‌ولت(اوج‌تااوج)، پهناي‌باند سيگنال 250 هرتز، گستره‌ي پويايي 48/67 دسي‌بل، نويز ارجاعي ورودي 127/65 ميكروولت‌(مؤثر) دست يافته‌است. كل اتلاف توان 131/41 نانووات است. سطح فعال فيلتر 0/438 ميلي‌مترمربع بوده و جانمايي تمامي خازن‌ها به‌صورت درون‌تراشه است. FoM1 و FoM2 فيلتر پيشنهادي به‌ترتيب 9-10×0/450 و 9-10×1827/82 مي‌باشد كه با شاخص‌هاي شايستگي فيلترهاي موجود در كارهاي قبلي قابل‌مقايسه هستند. مدارهاي پيشنهادي در يك فن‌آوري 0/18 ميكرومتري CMOS از TSMC طراحي شده و با شبيه‌سازي‌ها در بستر كيدنس اعتبارسنجي شدند.

1403/02/31

Design And Simulation Of A Low-Pass OTA-C Integrated Filter With Low Power Consumption For Electrocardiography (ECG) Applications

7/10/2024 12:00:00 AM

Biomedical electronics are changing rapidly, with many possibilities for future development. Accuracy and compactness are essential for biomedical devices. In the case of portable devices, power consumption issues also become important. This study proposes a low-power fifth-order Butterworth operational transconductance amplifier-capacitor (OTA-C) low-pass filter (LPF) containing six OTAs and five metal-insulator-metal (MIM) capacitors for the acquisition of biomedical electrocardiography (ECG) signals. The proposed OTA uses source degeneration with current division and Current cancellation to enhance linearity and implement low transconductance. Also, bulk-driven transistors are used to realize OTA due to the ultra-low-power operation they make possible. These techniques are combined to design a bulk-driven dual-output differential-input OTA (BD-DODI OTA) as the first block of filter, and a bulk-driven multiple-output differential-input OTA (BD-MODI OTA) to realize the next five blocks. BD-MODI OTA and BD-DODI OTA have voltage gain of 30.93 dB and 34.10 dB, respectively, and consume 22.66 nW and 17.03 nW, respectively. The OTAs-based filter realizes ultra low power consumption by operating under a weak inversion at a supply voltage of 1 V. Results show that the proposed filter achieved a total harmonic distortion of -40.16 dB under an input voltage of 98 mVpp, a signal bandwidth located within 250 Hz, a dynamic range of 48.67 dB, and an input referred noise of 127.65 μVrms. The total power dissipation is 131.41 nW. The active area of the filter is 0.438 mm2 and all capacitors are on-chip. The FoM1 and FoM2 of the proposed filter are 0.450×10−9 and 1827.82×10−9, respectively, which are comparable with the FoMs of the filters in previous work. The proposed circuits were designed in a 0.18 μm TSMC CMOS technology, and validated by simulations using Cadence platform.

توان مصرفي كم , فيلتر پايين‌گذر , تقويت‌كننده‌ي ترارساناي عملياتي , رانده‌شده با بدنه , لغو جريان , ناحيه‌ي زيرآستانه , خروجي چندگانه

Low power , Low-pass filter , Operational transconductance amplifier , Bulk-driven , Current cancellation , Subthreshold region , Multiple output

Niloofar AhmadiManesh

Dr. Seyed Adib AbrishamiFar