| Popis: |
Η παρούσα Διπλωματική Εργασία εστίασε το ενδιαφέρον της στην διερεύνηση των μοντέλων για νευρώνες (neuron models) ικανών να μιμηθούν την φυσική λειτουργία των βιολογικών νευρώνων. Συγκεκριμένα, έγινε μελέτη κάποιων μοντέλων για νευρώνες που παρουσιαστήκαν τα τελευταία χρόνια και στην συνέχεια, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα από τα μοντέλα αυτά κάνοντας χρήση κυκλωμάτων χαμηλής τάσης τροφοδοσίας στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain). Η γρήγορη ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής στην υλοποίηση συστημάτων υψηλής αξιοπιστίας και απόδοσης μικρού βάρους και όγκου όπως φορητών ηλεκτρονικών πολυμέσων, επικοινωνιών, βιοϊατρικών συσκευών, ωθεί στην σχεδίαση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που τα απαρτίζουν με μειωμένη κατανάλωση ισχύος και κατ’ επέκταση χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Αρχικά, γίνεται μια εισαγωγή για τη σχεδίαση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για λειτουργία σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Ακολούθως, δίνεται η περιγραφή της δομής και της λειτουργίας ενός βιολογικού νευρώνα και στην συνέχεια η περιγραφή των δύο βασικών μοντέλων νευρώνα (neuron models) που μελετήθηκαν στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας. Επίσης, παρουσιάζεται μία πρόσφατη υλοποίηση του βασικού μοντέλου νευρώνα των Mihalas και Niebur που ερευνάται στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, στο πεδίο του λογαρίθμου καθώς και τα μοτίβα αιχμών τα οποία είναι ικανό να παράγει το συγκεκριμένο μοντέλο στο πεδίο του λογαρίθμου. Τον πυρήνα στην σχεδίαση των συγκεκριμένων μοντέλων για νευρώνες που μελετώνται, αποτελεί η τοπολογία του Tau-Cell. Η συγκεκριμένη βαθμίδα χρησιμοποιείται για την συστηματική σχεδίαση φίλτρων στο πεδίο του λογαρίθμου (Log-Domain filters). Έπειτα, αναλύεται η μέθοδος σχεδίασης κυκλωμάτων, και συγκεκριμένα φίλτρων, χαμηλής τάσης τροφοδοσίας στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain). Παρουσιάζονται οι βασικούς τελεστές καθώς και τα βασικά cells, για την σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain). Στην συνέχεια, περιγράφεται η σχεδίαση της τοπολογίας του Tau-Cell η οποία όπως αναφέραμε, αποτελεί τον πυρήνα στην υλοποίηση μοντέλων για νευρώνες, στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου και επιβεβαιώνεται η ορθή λειτουργία της συγκεκριμένης βαθμίδας, με την σχεδίαση και εξομοίωση φίλτρων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, με βασικό στοιχείο το Tau-Cell στο Analog Design Environment του λογισμικού της Cadence σε τεχνολογία της AMS CMOS 0.35μm. Αφότου έχει ολοκληρωθεί η σχεδίαση του Tau-Cell στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, περιγράφεται στην συνέχεια η υλοποίηση του μοντέλου νευρώνα των Mihalas και Niebur στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Κάνοντας χρήση της βαθμίδας του Tau-Cell στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, γίνεται η υλοποίηση και στην συνέχεια η εξομοίωση, δύο βασικών κυκλωμάτων του μοντέλου, με βάση την ήδη υπάρχουσα υλοποίηση τους στο πεδίο του λογαρίθμου, ικανών να παράγουν διάφορα μοτίβα αιχμών (spiking patterns) με βάση το συγκεκριμένο μοντέλο του νευρώνα. Η ορθή λειτουργία των δύο αυτών κυκλωμάτων του μοντέλου με βάση τα μοτίβα αιχμών (spiking patterns) που είναι ικανά να παράγουν, επιβεβαιώνεται από τις εξομοιώσεις στο περιβάλλον του Analog Design Environment του λογισμικού της Cadence σε τεχνολογία της AMS CMOS 0.35μm. Τέλος, παρουσιάζεται η φυσική σχεδίαση (layout) των δύο βασικών κυκλωμάτων του μοντέλου νευρώνα καθώς και τα αποτελέσματα από την post-layout εξομοίωση του μοντέλου. Η φυσική σχεδίαση πραγματοποιήθηκε μέσω του λογισμικού Cadence το οποίο και περιέχει το περιβάλλον φυσικής σχεδίασης αναλογικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων Virtuoso Layout Editor. Η τεχνολογία που χρησιμοποιήθηκε αναφέρεται ως AMS C35D4 CMOS διαστάσεων 0.35μm. This present M.Sc. Thesis is focused its interest in the study of neuron models that emulate the physical behavior of biological neurons. More specifically, we present a study of some neuron models that have been presented the last years and we proceed with the design and the implementation one of them using low voltage circuits in the Sinh-Domain. Τhe radical technological developments of microelectronics in the systems implementation with high reliability and performance, such as portable electronic devices for multimedia, communications and biomedical systems, demand the design of integrated circuits with reduced power consumption and thus low voltage supply. Initially, an introduction for the design of integrated circuits in low voltage environment is given and, also, the description of the structure and behavior of a biological neuron. Next, an analysis of two recently introduced neuron models realized in the Log-Domain, from which the Mihalas and Niebur neuron model constitutes the basic model studied in the context of this work and, also, the basic spiking patterns, that this implementation of the Mihalas-Niebur neuron model is capable of producing. The core in the implementation of this neuron models, is the topology of Tau-Cell. The topology of Tau-Cell is used for the systematic design of filters in the Log-Domain. Thereafter, is given an analysis of the method of designing low voltage circuits and more specifically filters, in the Sinh-Domain. The basic operators and the principal cells, for designing circuits in the Sinh-Domain are presented. Then, the design and implementation of the Tau-Cell topology which as mentioned is the core for the implementation of neuron models, is realized in the Sinh-Domain. The proper operation of this topology is confirmed through the design and simulation of filters in the Sinh-Domain, in the Analog Design Environment of Cadence using the AMS CMOS 0.35μm technology. After the design of the Tau-Cell in the Sinh-Domain, we continue with the implementation of the Mihalas-Niebur neuron model. Using the topology of Tau-Cell in the Sinh-Domain, we proceed with the implementation and the simulation of the basic two topologies of the neuron model based on the existing implementation in the Log-Domain. The implemented topologies of the neuron are capable of producing spiking patterns based to the Mihalas-Niebur neuron model. The proper operation of these topologies based on the spiking patterns that are capable of producing, is confirmed through the design and simulation in the Sinh-Domain, in the Analog Design Environment of Cadence using the AMS CMOS 0.35μm technology. Finally, is presented the layout design of the main two topologies of the neuron model and also the results of the post-layout simulations. The layout was conducted via the Cadence software through Virtuoso Layout Editor. The technology used is referred as AMS C35D4 CMOS in 0.35μm dimensions. |
