Noise analysis on an integrated CCII+ based ElectroCardioGram [ECG] bootstrapping system
Creators: name: Καλόγηρος, Σπυρίδων Χαράλαμπου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2015
Subjects: Μεταφορέας ρεύματος
Ηλεκτροκαρδιογράφημα
Ανάλυση θορύβου
Current conveyor
Electrocardiogram
Noise analysis

description: Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη και βελτιστοποίηση θορύβου σε ένα σύστημα απόκτησης και ενίσχυσης καρδιακού σήματος, κατασκευασμένο με κυκλώματα μεταφορέα ρεύματος δεύτερης γενιάς. Αρχικά παρουσιάζεται το κύκλωμα του μεταφορέα ρεύματος που χρησιμοποιείται σε επίπεδο τρανζίστορ, και εξετάζονται δύο βασικά μοντέλα θορύβου με βάση την τοπολογία του κυκλώματος του μεταφορέα, για απλό τάξης Α μεταφορέα και για μεταφορέα με διαφορικό ζεύγος τρανζίστορ στην είσοδο. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε προσομοίωση του μεταφορέα ρεύματος μέσω δύο βασικών κυκλωμάτων μεταφορέων ρεύματος και εξήχθηκε η κατανομή και ο τύπος του θορύβου σε όλα τα τρανζίστορ του κυκλώματος, επαληθεύοντας το θεωρητικό κομμάτι που προηγήθηκε. Εξηγήθηκε επίσης, ο τρόπος βελτιστοποίησης θορύβου με δύο τεμνόμενες καμπύλες θερμικού και flicker θορύβου των δύο τρανζίστορ που συνεισφέρουν κατά ένα μεγάλο ποσοστό στο συνολικό θόρυβο του κυκλώματος. Το σημείο τομής έδειξε ότι πριν από αυτό η βελτιστοποίηση γίνεται λαμβάνοντας υπόψη τον flicker θόρυβο, και μετά από αυτό λαμβάνοντας υπόψη τον θερμικό. Σε δεύτερη φάση, παρουσιάζεται το σύστημα απόκτησης και ενίσχυσης σήματος καρδιογραφήματος, και επαληθεύτηκε αρχικά η ορθή λειτουργία του. Εξήχθηκε και εδώ η κατανομή θορύβου σε όλα τα τρανζίστορ και εξηγήθηκε το φαινόμενο ακύρωσης πηγών θορύβου που παρατηρήθηκε στην έξοδο του συστήματος. Ακολουθήθηκε η ίδια μέθοδος βελτιστοποίησης θορύβου με παραπάνω, αλλά αυτή τη φορά λαμβάνοντας υπόψη τα τρανζίστορ που συνεισφέρουν τα μέγιστα στο συνολικό θόρυβο σε επίπεδο συστήματος. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν δύο χρήσιμες αναλύσεις θορύβου σε επίπεδο συστήματος, μία που αφορά το σήμα εξόδου μαζί με τυχαίο θόρυβο που προσκολλάται πάνω σε αυτό, και μία που έδειξε προσαρμογή στο απαραίτητο φάσμα συχνοτήτων του θορύβου εξόδου του συστήματος σε μια συνάρτηση αυτοσυσχέτισης και μετασχηματισμού Fourier που δείχνει τη συμπεριφορά μικρού σήματος του συστήματος.
description: The aim of this thesis is a noise analysis and optimization on a second generation current conveyor (CCII+) based ElectroCardioGram [ECG] bootstrapping system. Firstly, the CCII+ circuit is presented in device level, and a specific noise analysis over two different topologies is explained, one for a simple class A current conveyor and one for a differential pair-based input. Operation of this circuit was evaluated using two simple CCII+ circuits and a noise contribution on all devices is extracted, evaluating the theory. Specific noise optimization method is presented, showing the curves of thermal and flicker noise over W*L area of the two most noise dominant transistors, which contribute the most to the total system noise. An intersection point is shown on these curves indicating the noise optimization method, thus before this point flicker noise should be considered during optimization and after this, thermal noise should be considered. Secondly, the ECG system is presented, analyzed and simulated to test its functionality. Noise contribution on device level is extracted in the same way with above, and a phenomenon of output noise source cancellation which is occurred is explained. The noise optimization method is the same with CCII part, showing the flicker and thermal noise curves over W*L area of two most noise dominant devices, in system level, which represent the total system noise in a high percentage. Finally, Extra advanced noise simulations were performed to examine the ECG system performance on the real time domain ECG output signal. Applying an autocorrelation function and then a fast Fourier transform (FFT) signal processing at the time domain output, the respective power noise spectral density (PSD) is extracted. The transient noise PSD is plotted against the AC noise spectral density and the related fit is really good in the whole frequency range of interest for ECG applications.