论文研究-应用于神经信号检测的运算放大器的设计 .pdf
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中国科技论文在线
应用于神经信号检测的运算放大器的设计
李曙俏
*
作者简介：李曙俏，（1984-），女，研究生，信号处理与嵌入式. E-mail: lishuqiao.fd@163.com
（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221116）
摘要：本文采用 CSMC 0. 5μm CMOS 工艺设计了一种用于微弱神经信号检测的放大器。研究
了一种由二输出的偏置电路和前置信号运算放大装配而成的运算放大器结构。由于神经信号5
及其微弱，必须设计出灵敏度高的放大电路才能检测到微弱的神经信号，本文采用差分输入、
密勒电容补偿的两级运算放大器电路，其突出优点在于具有高度输入阻抗高和共模抑制比。
电路工作电压 5V/±2.5 V，电路功耗很低，增益为 110.8dB，相位裕度为 69.1 度，0.01Hz
到 100KHz 的输入噪声为 7.1μV，可满足神经信号探测的应用要求。并利用 Candance 软件
仿真结果验证了运放系统用来检测神经信号的可行性和可靠性。 10
关键词：神经信号；偏置电路；运算放大器；CMOS 工艺；Candance 软件
中图分类号：TN43
The design of operational amplifier apply to neural signal
Li Shuqiao 15
(Information and Electrical Engineering Institute ,China University of Mining and
Technology, JiangSu XuZhou 221116)
Abstract: In this paper,an amplifier for detecting weak neural signal in CSMC 0.5μm CMOS process
is presented. A structure formed of a 2-output bias circuits and front signal assembly operational
amplifiers has been used,. Owning to the weekness of neural signal, we should design an effective
20
amplifier to dectect them.Two-stage Differential Operational Amplifier with Miller capacitance
compensation circuit is designed, its outstanding advantages of the high input impedance and high
CMRR. The amplifier could operate under5V/±2.5V and low power of the circuit, 110.8dB gain and
69.1 degree phase margin, 7.1μV of input noise from 0.01Hz to 100KHz are available. The amplifier
can basically meet the needs of the neural signal detection application requirements. On-wafer test
25
shows that the amplifier has the potential of applying in neural signal recording. The simulation results
from Candance show that the amplier for neural signal recording is feasible and reliable.
Keywords:Neural signal; Bias circuits; Amplifier; CMOS; Candance software
0 引言 30
神经损伤后的信号再生与功能重建是生命科学领域的重要课题之一。神经损伤后,损伤
面上下两端的神经元虽然仍可能存活，但因神经信息的信道已经中断，使生物体丧失了相关
的运动、感觉功能。利用神经元的电特性，可以构思采用植入体内与中断的神经相联接的电
子装置，实现神经信道功能的有源(即具有信号放大和处理的)再生。对于脊髓神经，其意义
更大，因为哺乳动物脊髓神经再生极其困难
[1]
。 35
本文研究的就是神经生物学和微电子科学的结合点——应用于神经信号检测的 CMOS
放大器设计研究。研究利用神经信号检测系统辅助实现神经系统和电子系统之间的信息交
换，从而探索神经功能的恢复与再生的微电子学辅助方法。
1 神经信号检测的 CMOS 放大电路设计流程
Cadence 系统是一个大型的 EDA 软件，它几乎可以完成电子设计的方方面面
[2]
，本文就40
利用 ASIC 来设计。
在该设计流程中，高层次综合和底层的布局布线之间没有明显的界线，高层设计时必须
考虑底层的物理实现（高层的划分与布局规划）。同时，布局布线后提取的 SDF 文件将被
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