Analog CMOS Implementation of the E-GLIF Neuron Model for Ultra-Low-Power Neuromorphic Applications

Questa tesi presenta la progettazione e la validazione, in LTspice, di un circuito analogico CMOS a bassissimo consumo che implementa il modello di neurone Extended Generalized Leaky Integrate-and-Fire (E-GLIF), introdotto per la prima volta da Geminiani \emph{et al.}~\cite{ODEs}. L'applicazione di riferimento è il generatore di pattern centrale respiratorio (CPG), e in particolare il complesso pre-Bötzinger (preBötC), il cui comportamento è stato descritto da De Toni \emph{et al.}~\cite{Bioengineering}. Gli autori di questo articolo di riferimento ci hanno fornito il codice necessario per eseguire una simulazione NEST del modello E-GLIF. I risultati sono stati poi utilizzati per un confronto quantitativo e qualitativo con l'implementazione elettronica proposta. Il circuito è costruito attorno a modelli di transistor NMOS e PMOS custom, non commerciali, di Livello 3, operanti in sottosoglia, validati rispetto ai parametri riportati da Magnelli \emph{et al.}~\cite{op-amp}. Un amplificatore operazionale a due stadi, con compensazione Miller, è stato progettato sopra i MOSFET custom con l'obiettivo principale di un funzionamento a bassissimo consumo. Il circuito completo è stato suddiviso in quattro blocchi funzionali che gli permettono di implementare il comportamento del neurone di riferimento, tra cui l'integrazione di membrana, l'adattamento, la depolarizzazione, il confronto con la soglia, la generazione dello spike e il reset. Il circuito completo è stato simulato e testato rispetto alle tre equazioni differenziali che descrivono l'E-GLIF e rispetto al meccanismo di soglia, spike e reset del neurone, per validare la progettazione. I risultati mostrano che il circuito proposto riproduce il comportamento biologico principale del neurone E-GLIF nel rispetto del vincolo di bassissimo consumo, confermandone l'idoneità per l'applicazione biomedica di destinazione.

This thesis presents the design and validation, in LTspice, of an ultra-low-power analog CMOS circuit implementing the Extended Generalized Leaky Integrate-and-Fire (E-GLIF) neuron model, first introduced by Geminiani \emph{et al.}~\cite{ODEs}. The target application is the respiratory central pattern generator (CPG), and in particular the preBötzinger complex (preBötC), whose behaviour has been described by De Toni \emph{et al.}~\cite{Bioengineering}. The authors of this reference paper provided us with the code needed to run a NEST simulation of the E-GLIF model. The results were later used for a quantitative and qualitative comparison with the proposed electronic implementation. The circuit is built around custom, non-commercial Level-3 NMOS and PMOS transistor models operating in subthreshold, validated against the parameters reported by Magnelli \emph{et al.}~\cite{op-amp}. A two-stage, Miller-compensated operational amplifier was designed on top of the custom MOSFETs with the main goal of an ultra-low power operation. The full circuit has been divided into four functional blocks which enable it to implement the reference neuron behaviour, including membrane integration, adaptation, depolarization, threshold comparison, spike generation and reset. The full circuit has been simulated and tested against the three differential equations describing the E-GLIF and the threshold, spike and reset mechanism of the neuron, to validate the design. The results show that the proposed circuit reproduces the main biological behaviour of the E-GLIF neuron while respecting the ultra-low power constraint, confirming its suitability for the target biomedical application.