视神经微电流刺激器模拟电路的优化与物理实现

摘要

人自出生以来,即靠视觉来获取知识。视觉障碍对生活工作均带来了很大的影响。随着微电子学、生物医学等多学科在内的重大发展,在一定程度上受到了人工耳蜗的启发,国内外科学家开始研究视觉假体。
　　本论文通过查阅国内外文献,介绍了视觉假体的研究意义、背景和分类。根据数据调制解调方式的不同,视神经假体的体内刺激器芯片由数字和模拟两种方式实现,主要研究了模拟实现的微电流刺激器整体芯片,以及数字实现流程中降低解调电路设计难度的预处理电路。微电流刺激器包括带隙基准电路、ASK解调电路、电流型数模转换器等,电路基于Global Foundry0.3 Sum工艺,使用Cadence Spectre进行了仿真。结果表明微电流刺激器接等效电极阻抗模型能够正常工作,产生符合视神经刺激参数要求的正负双向平衡且可控的微电流脉冲刺激,电流范围-1022uA~1022uA。预处理电路中包括混频电路、全差分运放和低通滤波电路,各电路模块通过仿真优化,结果表明混频器结构具有比较好的带宽和噪声性能,全差分运放的增益带宽和摆率等参数都有明显提高,有源低通滤波电路满足截止频率1MHz的指标要求,电路能够正确有效的对体内接收的射频信号进行预处理。在3.3V电源电压下,微电流刺激器的静态功耗为lOmW左右,预处理电路静态功耗约为3mW。通过Virtuoso软件设计版图,模拟电路面积约0.25mmz,其中微电流刺激器的面积为320um×480um,预处理电路的面积为270umx340um。相比之前方案在功耗和面积方面有明显优化。本文设计的微电流刺激器和解调预处理电路,为高性能视神经假体的实现提供了参考方案。

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1 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 视觉假体的分类和研究现状

1.3 论文主要研究内容和章节结构

2 视神经假体的系统框架和原理

2.1视神经假体的介绍

2.2 视神经微电流刺激器的结构和原理

2.3 高阶解调预处理电路的结构和原理

3 视神经微电流刺激器的设计

3.1 基准电压源

3.2 ASK解调电路

3.3 数模转换DAC

4 高阶解调预处理电路的设计

4.1 混频电路

4.2 全差分运放

4.3 有源低通滤波器

4.4 解调预处理电路整体仿真

5 全定制版图设计

5.1 模拟集成电路版图设计概述

5.2 微电流刺激器的版图

5.3 解调预处理电路的版图

6 总结

致谢

参考文献