神经信号记录与刺激系统用前置微电路设计

摘要

神经信号的检测是近年来生命科学领域研究的热点问题之一。神经微电极是一种可以与生物体的神经系统进行交流和沟通的传感系统。伴随着集成电路和微机电技术(MEMS)的迅猛发展，神经微电极已经发展到多维有源(即集成部分信号处理电路)阵列水平，与之相对应，所需检测电路的设计也面临严峻的挑战，芯片的功耗、尺寸、噪声和集成度等是要考虑的首要问题。 本课题的前置微电路主要由前置缓冲放大器和地址译码器两部分组成，是数模混合集成电路。它采用具有的高集成度、低功耗等优点的CMOS工艺实现。本课题的目的是设计改进前置微电路，使之与无源电极微装配起来构成三维有源神经微电极阵列，并最终应用于临床诊断，使治疗与中枢神经系统有关的疾病变得更为切实可行。 本文在对神经微电极原有前置微电路的电路结构和工作原理深入研究基础上，对原有电路进行了HSPICE仿真和芯片测试。通过仿真和测试，发现了原有电路设计中存在的问题，提出了改进方案，完成了电路结构的改进和设计指标的确定。针对神经信号提取对前置放大电路的电压、功耗等方面的要求，通过计算得到了理论上基本能够满足设计指标的新的器件参数。基于Charted 0.35um工艺模型，对改进后的电路特性进行了详细的HSPICE仿真，根据仿真结果完成了对改进后电路的优化设计。仿真结果表明了改进后电路解决了原有电路中存在的问题，达到了预期的设计性能指标要求。最后，结合电路的特殊要求，综合考虑版图的匹配度、寄生效应和可靠性等因素的前提下，完成了改进后放大电路的版图设计，并通过了DRC、LVS版图验证。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题背景

1.2技术现状

1.2.1国外发展现状

1.2.2国内研究现状

1.3应用前景

1.4论文的主要内容

第二章神经微电极

2.1神经微电极简介

2.2神经微电极在生理环境下的测量模型

2.3神经微电极的结构

2.3.1单片二维无源微电极

2.3.2三维有源微电极阵列

2.4本章小结

第三章原有神经电极前置微电路的分析和测试

3.1神经信号的特征

3.2前置微电路的设计要求和性能指标

3.2.1设计要求

3.2.2设计指标

3.3原有前置微电路分析

3.3.1前置微电路模块的整体结构

3.3.2前置缓冲放大器的原理

3.3.3地址译码器的原理

3.4原有电路芯片的测试

3.4.1加工工艺和芯片简介

3.4.2芯片测试

3.5本章小结

第四章前置微电路的改进设计

4.1原有前置缓冲放大器的仿真和测试结果分析

4.2改进一——前置缓冲放大器优化设计

4.2.1电路参数特性分析

4.2.2增益与器件参数的关系

4.2.3稳定性与器件参数的关系

4.2.4其他参数与器件参数的关系

4.2.5设计改进

4.3改进二——虚地的设计

4.4改进三——CMOS传输门的优化设计

4.5本章小结

第五章改进后前置微电路的仿真分析

5.1单路前置缓冲放大器的仿真

5.1.1直流特性分析

5.1.2交流分析

5.1.3噪声分析

5.1.4瞬态分析

5.1.5模型参数对电路性能影响的仿真

5.1.6温度特性分析

5.1.7调整前置缓冲放大器的器件参数

5.2前置微电路系统的全局仿真

5.3本章小结

第六章版图设计

6.1版图设计内容

6.2版图匹配设计

6.2.1晶体管的匹配

6.2.2电阻电容的匹配

6.3前置微电路的整体版图设计实现

6.4本章小结

第七章总结和展望

7.1全文总结

7.2后期展望

参考文献

附录

发表论文和参加科研情况说明

致 谢