Biyomedikal uygulamaları için düşük güçlü/gerilimli akım modlu elın süzgeç tasarımlarının gerçekleştirilmesi
Implementation of low power/voltage current-mode elin filter designs for biomedical applications
Yazar: FATMA ZUHAL ADALAR
Danışman: PROF. DR. ALİ KIRÇAY
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Biyomedikal işaretler = Biomedical signals ; Biyomedikal uygulamalar = Biomedical applications ; Elektrokardiyografi = Electrocardiography

Özet:
Biyomedikal sinyallerin elde edilmesi, aktarılması ve işlenmesi biyomedikal sistemlerdeki temel görevlerdir. Bu sinyallerin işlenmesi için kullanılan devre, herhangi bir parazit sinyalinin tamamen reddedilmesinin yanı sıra hastanın tam güvenliğini garanti etmelidir. Sonuç olarak, sistemin performansını iyileştirmek için düşük gürültülü ön yükselticiler ve analog süzgeçler gibi yüksek performanslı yapı taşları gereklidir. Daha ucuz ve daha iyi sistemlerin uygulanmasını mümkün kılan katı hal elektroniğindeki gelişmelere rağmen, biyomedikal sistemlerde pil ömrünü artırmak için hem cihazın boyutunu hem de güç tüketimini azaltmak gibi çözülmesi gereken birçok sorun vardır. Biyomedikal sistemlerin uygulanması için çok düşük gerilim ve akım gürültüleri, düşük harmonik bozulma, küçük kalıp alanı ve minimum güç tüketimi gibi çeşitli tasarım hususlarının dikkate alınması gerekir. Sinh ortam süzgeçleri, karekök ortam süzgeçleri ve logaritmik ortam süzgeçleri ELIN süzgeçlerin alt sınıfını oluşturur. Bu süzgeçlerin tasarımında companding tekniği kullanıldığından besleme geriliminde, dinamik çalışma aralığında ve güç tüketiminde önemli üstünlüklere sahiptirler. Bu tez çalışmasında biyomedikal uygulamaları için düşük güçlü/gerilimli, akım modlu ELIN süzgeç tasarımları gerçekleştirilmiştir. İlk olarak, biyomedikal uygulamaları için sinh ortamda düşük güçlü/gerilimli ikinci dereceden akım modlu Butterworth yüksek geçiren süzgeç tasarımı ve düşük güçlü/gerilimli beşinci dereceden akım modlu Eliptik alçak geçiren süzgeç tasarımı, pasif elemanların sinh ortam benzetimi sentez yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Daha sonra, biyomedikal uygulamaları için karekök ortamda düşük güçlü/gerilimli ikinci dereceden akım modlu alçak geçiren süzgeç tasarımı, durum uzayı sentez yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Son olarak, biyomedikal uygulamaları için logaritmik ortamda düşük güçlü/gerilimli ikinci dereceden akım modlu fark alıcı AB-sınıfı alçak geçiren süzgeç tasarımı durum uzayı sentez yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Süzgeçlerin performansını göstermek için OrCAD Capture CIS programında TSMC 0.25µm CMOS işlem parametreleri ve AT&T CBIC-R (NR200N-2X NPN) transistörü kullanılarak benzetimler gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan süzgeç devrelerinin sahip olduğu üstünlükler; sadece transistörler ve topraklanmış kondansatörlerden oluşma, akım modlu olma, düşük harmonik bozulma ile geniş dinamik aralık sağlama, düşük gerilim/güç uygulamaları için uygun olma ve kesim frekansının elektronik olarak ayarlanabilmesi olarak sıralanabilir.

Abstract:
Acquisition, transmission and processing of biomedical signals are fundamental tasks in biomedical systems. The circuit used for processing these signals must ensure complete patient safety as well as complete rejection of any interference signals. As a result, high-performance building blocks such as low-noise preamplifiers and analog filters are required to improve system performance. Despite advances in solid-state electronics that have made it possible to implement cheaper and better systems, there are still many problems to be solved in biomedical systems, such as reducing both device size and power consumption to increase battery life. Various design considerations need to be considered for the application of biomedical systems, such as very low voltage and current noises, low harmonic distortion, small chip area and minimum power consumption. Sinh domain filters, square root domain filters, and logarithmic domain filters are subclasses of ELIN filters. Since the companding technique is used in the design of these filters, they have significant advantages in supply voltage, dynamic operating range and power consumption. In this thesis, low power/voltage, current mode ELIN filter designs for biomedical applications have been realized. Firstly, low-power/voltage second-order current-mode Butterworth high-pass filter design and low-power/voltage fifth-order current-mode Elliptical low-pass filter design for biomedical applications in sinh domain are realized by synthesis method of passive elements in sinh domain. Then, low-power/voltage second-order current-mode low-pass filter design for biomedical applications in square root domain is realized by state-space-synthesis method. Finally, low power/voltage second-order current-mode differential type class-AB low-pass filter design for biomedical applications in logarithmic domain is realized by state-space-synthesis method. In order to demonstrate the performance of the filters, simulations were performed in OrCAD Capture CIS program using TSMC 0.25 µm CMOS process parameters and AT&T CBIC-R (NR200N-2X NPN) transistor. Advantages of the designed filter circuits; it can be listed as consisting of only transistors and grounded capacitors, being current mode, providing low harmonic distortion and wide dynamic range, being suitable for low voltage/power applications and electronically adjusting the cut-off frequency.