Skip to main content
SUPERVISOR
Rasoul Dehghani
رسول دهقانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Ali Pourahmad
علی پوراحمد نجف آبادی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394

TITLE

Two-Wired Current Modulator Active Electrode for Ambulatory Biosignals Recording
Dry active electrodes (AE) make biosignal recording more convenient without needing conductive gel or skin preparation compared to conventional wet electrodes. Nowadays, the application of biosignals is being extended outside the health centers as AE-based wearable sensors and brain-computer interfaces (BCI). The term “active” refers to a built-in preamplifier on the electrode that transforms the low amplitude high impedance biosignal source to an amplified low impedance one, therefor improves the signal quality. Nevertheless, there are also some challenges such as existence of large and time variant electrode offset, CMRR degradation due to the AEs gain mismatch and the flicker noise that needs to be dealt with. This thesis presents a novel current modulator active electrode (CMAE) with only two outgoing wires, resulting in lower cost and complexity. The CMAE is actually an operational transconductance amplifier (OTA) that modulates the supply current by the input voltage signal through the two supply rails. The CMAE prototype is implemented with only two discrete opamps. The ECG and EEG signals are successfully recorded by the proposed CMAE with dry electrodes and corresponding total gain of 50 dB and 65 dB and current consumption of 60 µA and 100 µA. The CMAE’s built-in preamplifier employs a DC feedback loop instead of conventional DC servo loop (DSL) which suppresses the input offset voltage in rail-to-rail and attenuates the flicker noise at lower frequencies. Without using any chopper stabilization, the total input referred noise of ECG and EEG CMAEs are 3.9 µV RMS and 0.7 µV RMS respectively in 0.5-100 Hz bandwidth. By using bipolar pseudoresistors, sub-hertz low cut-off frequency but with fast settling time is attained. Since the CMAE performs single-ended amplification, a digitally boosted driven right leg (DbRL) scheme has been designed which typically boosts the gain of the Keywords: Bioamplifier, dry electrode, electroencephalogram, electrode offset voltage, DC servo loop, current modulator active electrode, bipolar pseudoresistor, digitally boosted driven right leg, adaptive noise canceler.
الکترود فعال (AE) خشک با حذف ژل رسانا و عدم نیاز به انجام مرحله آماده‌سازی پوست، روال ثبت سیگنال‌های حیاتی را نسبت به الکترودهای متداول خیس راحت‌تر می‌کند. امروزه موارد استفاده از سیگنال‌های حیاتی در خارج از مراکز درمانی، در قالب حسگرهای پوشیدنی و یا رابط مغز و رایانه (BCI) مبتنی بر الکترود فعال رو به افزایش است. درون الکترود فعال، یک تقویت‌کننده با امپدانس ورودی بالا جاسازی شده است که با انجام عمل پیش‌تقویت و تبدیل امپدانس، درست در محل دریافت سیگنال، کیفیت ثبت را بهبود می‌دهد. بااین‌حال چالش‌هایی نیز مانند کاهش نسبت حذف مدمشترک (CMRR) به دلیل عدم‌تقارن در بهره الکترودها، حضور ولتاژ آفست الکترود نسبتاً بزرگ و تغییرپذیر با زمان و همپوشانی طیف نویز سوسویی با طیف سیگنال حیاتی در طراحی تقویت‌کننده‌های حیاتی مبتنی بر الکترود فعال وجود دارد. پایان‌نامه حاضر به معرفی ساختار جدید الکترود فعال مدولاتور جریان (CMAE) با تنها دو رشته سیم خروجی می‌پردازد که به کاهش حجم و پیچیدگی مداری الکترود فعال منجر شده است. الکترود فعال مدولاتور جریان درواقع یک تقویت‌کننده هدایت انتقالی (OTA) است که جریان گذرنده از خطوط تغذیه آن توسط ولتاژ ورودی مدوله می‌گردد. نمونه اولیه الکترود فعال مدولاتور جریان به شکل چندپارچه و تنها با دو تقویت‌کننده عملیاتی پیاده‌سازی گردید و در عمل برای ثبت نوار قلب و نوار مغز با الکترودهای خشک به ترتیب با بهره کل dB 50 و dB 65 با موفقیت مورد آزمایش قرار گرفت. جریان مصرفی الکترود‌های مدولاتور جریان ساخته‌شده برای ثبت نوار قلب و نوار مغز به ترتیب برابر µA 60 و µA 100 است. با به‌کارگیری از یک حلقه پسخورد مستقیم بجای ساختار متداول حلقه خودمهار مستقیم (DSL) در مدار الکترود فعال مدولاتور جریان، دفع خط‌تاخط ولتاژ آفست ورودی امکان‌پذیر و نویز سوسویی در فرکانس‌های پایین تضعیف می‌شود. مقدار مؤثر نویز معادل ورودی، در پهنای باند Hz 100-5/0 و بدون استفاده از روش تثبیت با برش، برای الکترود فعال مدولاتور جریان نوع نوار قلب و نوار مغز به ترتیب از µV RMS 9/3 و µV RMS 7/0 تجاوز نمی‌کند. با استفاده از شبه‌مقاومت‌های ترانزیستوری، فرکانس قطع پایین تقویت‌کننده به کمتر از دهم هرتز رسیده است درحالی‌که حالت‌های گذرا به‌سرعت سپری می‌شود. ازآنجاکه عمل تقویت در الکترود فعال مدولاتور جریان به شکل تک‌سر انجام می‌گردد، مدار راه‌انداز پای راست افزوده دیجیتالی (DbRL) جهت کاهش بیشتر نویز مدمشترک بدن طراحی شده است که بهره مدار راه‌انداز پای راست (DRL) کلاسیک را در محدوده فرکانسی Hz 250-10 به‌طور نوعی تا dB 15 افزایش می‌دهد. همچنین به کمک ساختار حذف‌کننده وفقی نویز زمان-حقیقی در نرم‌افزار، دست‌یابی به نسبت حذف مدمشترک دست‌کم dB 80 با فیلتر کردن نویز مدمشترک پس‌زمینه از سیگنال دریافتی میسر گردیده است. کلیدواژه‌ها: تقویت‌کننده حیاتی، الکترود خشک، نوار مغز، ولتاژ آفست الکترود، حلقه خودمهار مستقیم، الکترود فعال مدولاتور جریان، شبه‌مقاومت ترانزیستوری، مدار راه‌انداز پای راست افزوده دیجیتالی، حذف‌کننده وفقی نویز.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی