神经信号桥接电路芯片研究

摘要

神经系统的损伤与恢复，一直以来都是神经科学研究中的一项重要方向。目前的研究表明，中枢神经系统损伤后的再生极为困难。现有的生物学和医学方法恢复中枢神经系统功能的效果远达不到实际应用的需求。另一方面信息技术的高速发展以及电子信息与生物学的交叉融合，为神经损伤的功能恢复提供了新的研究方法。随着集成电路技术的不断发展，特征尺寸也越来越小，为体内植入式器件的发展提供了可能，在受损神经处植入相应的芯片，通过这个芯片建立神经传输的通道，实现受损神经的功能再生。
　　 论文首先对神经信号桥接设计和相关理论进行了研究，在课题组前期动物实验数据的基础上，确定电路设计的指标。采用CSMC0.5μm CMOS工艺设计了神经信号桥接电路芯片。该电路包含神经信号探测电路，滤波回路，信号放大，功能电激励电路(FES)。其中探测电路是由三个运算放大器组成的仪表放大器。系统具体的实现为其中两级折叠共源共栅运放和输入输出均为满摆幅的AB类运放的设计。电路的工作频率为400Hz～4KHz，整个系统的功耗，在±2.5V电源电压下为3mW左右。芯片的版图面积为932μm×915μm。芯片的封装形式DIP封装，并完成了电学测试。
　　 根据已有的实验结果，采用电压激励时有可能会存在激励电压不够或者能量不够的情况，所以对神经信号桥接电路进行了改进，论文设计了DC-DC升压芯片来提高功能电激励级的驱动能力，这里采用的是峰值电流模PWM/PFM双模式控制的同步整流结构。论文介绍了系统的建模及稳定性分析，讨论了主要的模拟电路模块，如电压带隙基准(Bandgap)，误差放大器，振荡器等的设计。系统的仿真结果显示在PWM模式下系统的效率比较高，可达95％，同时纹波也比较小，在PFM模式下系统也具有较好的效率。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究内容

1．3 课题来源

第2章 神经元的电学特性

2．1 神经元

2．2 静息电位和动作电位

2．3 激励方式

2．4 本章小结

第三章 神经信号桥接电路芯片设计

3．1 芯片性能指标

3．2 工艺选择

3．3 系统电路

3．4 单元电路设计

3．4．1 OP1运放设计

3．4．2 OP2运放设计

3．4．3 运放仿真

3．4．4 版图设计及测试

3．5 动物实验

3．6 本章小结

第四章 DC-DC升压电路设计

4．1 开关电源的基本原理

4．1．1 电流工作模式

4．1．2 系统工作模式

4．1．3 系统建模和稳定性分析

4．2 电路设计

4．2．1 带隙基准

4．2．2 误差放大器

4．2．3 振荡器

4．2．4 比较器

4．2．5 软启动

4．3 系统版图及仿真

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

参考文献

致谢

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