شماره ركورد
25574
شماره راهنما
ELE2 520
عنوان
طراحي يك مدار اندازه گيري قسمت حقيقي و موهومي امپدانس زيستي با استفاده از تكنيك طبقه خروجي سوئيچينگ جهت كاهش توان مصرفي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي برق - مدارهاي مجتمع الكترونيك
دانشكده
فني و مهندسي
تاريخ دفاع
1404/11/08
صفحه شمار
107 ص.
استاد راهنما
دكتر مهدي حبيبي , دكتر پيمان معلم
استاد مشاور
دكتر حسين زارعي
كليدواژه فارسي
كم توان , امپدانس زيستي، , طيفسنجي امپدانس , اندازه¬گيري امپدانس، , مدار مجتمع , حسگر پوشيدني
چكيده فارسي
چكيده
امپدانس زيستي پاسخ الكتريكي بافتهاي زنده در برابر عبور جريان الكتريكي است؛ و در كاربردهايي مانند پايش غيرتهاجمي سلامت و سامانههاي پوشيدني بهكار ميرود. در اين كاربردها، علاوه بر دقت، توان مصرفي بسيار پايين براي افزايش عمر باتري ضروري است. با توسعه مدارهاي كممصرف، در بسياري از طراحيها جهت كاهش توان، بيشتر بر بلوكهاي تقويت، تبديل و پردازش متمركز بوده و اتلاف توان در طبقه خروجي كمتر مورد توجه قرار گرفته است.
در اين پژوهش يك زيربخش كممصرف براي اندازهگيري امپدانس زيستي و جداسازي مؤلفههاي حقيقي و موهومي آن ارائه ميشود؛ كه در نرم افزار Cadence با فناوري CMOS 180 نانومتر شبيهسازي شده است. هسته اصلي معماري پيشنهادي، بهكارگيري طبقه خروجي سوئيچينگ در مسير اعمال تحريك است تا با ذخيرهسازي انرژي جريان تزريقي در المان القايي و بازيابي بخشي از آن، توان اتلافي كاهش يابد. براي استخراج بخشهاي حقيقي و موهومي، تحليل سيگنالكوچك ac روي مدار پيشنهادي انجام شدهاست؛ و سپس در هر فركانس، دامنه و فاز استخراج، و امپدانس مختلط تشكيل ميشود. در ادامه نيز، پارامترهاي مدل امپدانس زيستي كول با حل يك مسئله كمينهسازي، برازش داده شده و مؤلفههاي حقيقي و موهومي امپدانس در فركانس تزريق استخراج ميشود. همچنين براي كاهش توان، اثر تغيير ابعاد ترانزيستورهاي قدرت بر توان كل بررسي و نقطه بهينه انتخاب شده است.
نتايج شبيهسازي نشان ميدهد توان مصرفي كل مدار 37.2 ميكرووات و توان اتلافي 14.67 ميكرووات است. ارزيابي دقت در چهار دسته آزمايش مبتني بر تغييرات پارامترهاي مدل كول نشان ميدهد خطاي بازسازي |Z| كمتر از 2.1٪ باقي مانده و دقت ميانگين اندازهگيري 97.9٪ حاصل شده است؛ بهطور مشخص، ميانگين خطاي |Z| در بازه 0.17٪ تا 1.2٪ و بيشترين خطاي |Z| كمتر از 2.1٪ حاصل شده است. همچنين در بدترين حالت، خطاي مؤلفه حقيقي و موهومي در فركانس تزريق بهترتيب حدود 1.78٪ و ٪1.85 است. در مجموع، معماري پيشنهادي ضمن حفظ دقت جداسازي مؤلفهها، كاهش توان مصرفي و توان اتلافي را ممكن كرده و براي حسگرهاي پوشيدني كممصرف مناسب است.
كليدواژهها: كم توان، امپدانس زيستي، طيفسنجي امپدانس، اندازه¬گيري امپدانس، مدار مجتمع، حسگر پوشيدني.
كليدواژه لاتين
Low-power , Bio-impedanc , Impedance measurement, , Integrated circuit, , Wearable sensor , Impedance spectroscopy (EIS)
عنوان لاتين
Design of a Circuit for Measuring the Real and Imaginary Parts of Bio-impedance Using a Switching Output-Stage Technique to Reduce Power Consumption
گروه آموزشي
مهندسي برق
چكيده لاتين
Abstract
Bioimpedance is the electrical response of living tissues to the passage of an alternating current; and it is used in applications such as non-invasive health monitoring and wearable systems. In these applications, in addition to accuracy, ultra-low power consumption is essential to increase battery lifetime. With the development of low-power circuits, in many designs power reduction has been mainly focused on amplification, conversion, and processing blocks, while power dissipation in the output stage has received less attention.
In this research, a low-power sub-block for bioimpedance measurement and separation of its real and imaginary components is presented and simulated in Cadence using a 180-nm CMOS technology. The core of the proposed architecture is the use of a switching output stage in the excitation path so that, by storing the energy of the injected current in an inductive element and recovering part of it, the dissipated power is reduced. To extract the real and imaginary parts, small-signal AC analysis is performed on the proposed circuit; and then, at each frequency, the amplitude and phase are extracted and the complex impedance is formed. Subsequently, the Cole model parameters are fitted by solving a minimization problem, and the real and imaginary components of the impedance at the injection frequency are reconstructed. Moreover, to reduce power, the effect of changing the dimensions of the power transistors on the total power is investigated and the optimum point is selected.
Simulation results show that the total power consumption of the circuit is 37.2 µW and the dissipated power is 14.67 µW. Accuracy evaluation in four sets of experiments based on variations of the Cole model parameters indicates that the reconstruction error of |Z| remains below 2.1%, and an average measurement accuracy of 97.9% is achieved; specifically, the mean |Z| error is in the range of 0.17% to 1.2%, and the maximum |Z| error is reported to be less than 2.1%. Also, in the worst case, the errors of the real and imaginary components at the injection frequency are approximately 1.77% and 1.85%, respectively. Overall, the proposed architecture, while preserving the accuracy of component separation, enables reduction of power consumption and dissipated power, and is suitable for low-power wearable sensors.
Keywords: Low-power, Bio-impedance, Impedance measurement, Integrated circuit, Wearable sensor, Impedance spectroscopy (EIS).
تعداد فصل ها
5 فصل
فهرست مطالب pdf
154030
نويسنده