Υλοποίηση του νευρωνικού μοντέλου Mihalas-Niebur με χρήση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου

• Κύριος συγγραφέας: Διαμαντόπουλος, Χριστόφορος
• Άλλοι συγγραφείς: Ψυχαλίνος, Κωνσταντίνος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2016
• Θέματα: Αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα; Κυκλώματα πολύ χαμηλής τάσης τροφοδοσίας; Κυκλώματα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου; Κυκλώματα για βιοϊατρικές εφαρμογές; Analog integrated circuits; Very low-voltage circuits; Sinh-domain circuits; Circuits for biomedical applications; 660.63

Η κυκλωματική μοντελοποίηση των νευρώνων του κεντρικού νευρικού συστήματος (Central Nervous System - CNS), είναι ένα από τα πιο ενδιαφέροντα και πολλά υποσχόμενα ερευνητικά πεδία των βιοϊατρικών εφαρμογών. Συστήματα αποτελούμενα από νευρώνες πυριτίου (Silicon Neurons - SiN), όπως τα νευρωνικά δίκτυα 3ης γενιάς Spiking Neural Networks (SSNs), μπορούν να εξομοιώσουν την εγκεφαλική δραστηριότητα ενεργοποιούμενα από ερεθίσματα σε πραγματικό χρόνο, δίνοντας πολύτιμα ιατρικά δεδομένα στους ερευνητές. Στην παρούσα ερευνητική εργασία, παρουσιάζεται η κυκλωματική υλοποίηση ενός νευρώνα SiN, ο οποίος βασίζεται στο μοντέλο Mihalas – Niebur[1] (μοντέλο MN), με χρήση δομών βαθυπερατών φίλτρων (Low-Pass Filters – LPF). Καθώς πρόκειται για ολοκληρωμένο κύκλωμα βιοϊατρικών εφαρμογών, στα ορισθέντα κριτήρια σχεδίασής του περιλαμβάνονται: α) η δυνατότητα λειτουργίας με πολύ χαμηλή τάση τροφοδοσίας (very low-voltage) και β) η πόλωσή του με μικρά ρεύματα, χωρίς να μειώνεται η δυναμική περιοχή των διαχειριζόμενων σημάτων. Τα κυριότερα πλεονεκτήματα αυτής της υλοποίησης εστιάζονται: α) στη λειτουργία με τάση τροφοδοσίας 0.7V, β) στην ικανότητα διαχείρισης ρευμάτων που είναι πολλαπλάσια μεγαλύτερα από το ρεύμα πόλωσης (τάξη-ΑΒ) και γ) στη χρήση πολύ μικρών τιμών χωρητικοτήτων. Η επίτευξη των παραπάνω, έγινε δυνατή με τη σχεδίαση των απαιτούμενων επιμέρους δομών στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (sinh-domain), αξιοποιώντας παράλληλα τη λειτουργία των MOSFET transistors στην περιοχή υποκατωφλίου (sub-threshold region). Επιπροσθέτως, η σχεδίαση αξιοποιεί την εναλλακτική τεχνική επίτευξης πολύ μεγάλων σταθερών χρόνου χωρίς την αύξηση των απαιτούμενων χωρητικοτήτων σε ένα σύστημα συμπίεσης/αποσυμπίεσης (companding system)[13], πετυχαίνοντας εντυπωσιακή μείωση των τιμών των πυκνωτών ολοκλήρωσης που απαιτούνται για τα βιοϊατρικά σήματα. Τέλος, αναφορικά με τη σχεδίαση του συστήματος, αυτή πραγματοποιήθηκε εξ’ ολοκλήρου στο λογισμικό Cadence, με το Design Kit που παρέχεται από την τεχνολογία AMS CMOS C35 0.35μm.