植入式神经信号记录系统前端链路集成电路的研究与设计

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1、為；ｆ＾＾ｉ＾＇ｉ＊ｉＭｘＳｏｕ化Ｃｈｉｎａｎｉｖｅｒｓ＾ｇｉｏｅｃｈｎｏ＾ｉＵｔｙｆＴｌｏｇｙ硕±学位论文植入式神经信号记录系统前端链路集成电路的研究与设计作者姓名刘佳林学科专业微电子学与固体电子学指导教师李斌教授所在学院电子与信息学院论文提交日期２０１６年４月StudyandDesignofFront-EndIntegratedCircuitsforImplantableNeuralRecordingSystemADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：LiuJia

2、linSupervisor：Prof.LiBinSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：ＴＮ４学校代号：１０５６１学号；２０１３２０１０８２０３华南理工大学硕±学位论文植入式神经信号记录系统前端链路集成电路的研究与设计作者姓名：刘佳林指导教师姓名、职称：李斌教授申请学位级别：王学硕±学科专业名称：微电子学与固体电子学研究方向：集成电路设计与系统集成论文提交日期：２０〇日论文答辩日期００义年＾月三：２／《年＜月口７曰学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月曰■答辩委员会

3、成员：主席、：、勺—命碱ｍ々蚕员：疫Ｉ今！確Ｖ华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研巧成果。除了文中特别加１＾＞１标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡。献的个人和集体，均己在文中明确方式标明本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。ＣＰ作者签名；知］化棘日期；Ｊ２八年个月三０日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定：，艮Ｐ研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华

4、南理工大学。学校有权保存并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅（除在保密期内的保密论文外）；学校可公布学位论文的全部或部分内容，可Ｗ允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论。一文本人电子论文文档的内容和纸质论文的内容相致。本学位属于：□保密，在年解。密后适用本授权书囚不保位密，同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单浏览；同意将本人学位论文提交中国学术期刊（光盘版）电子杂志社文出ＮＫ＾Ｉ《版和编入Ｃ上中国知识资源总库》，传播学位论文的全部或部分内容。｛请在Ｗ相应方框内打＂Ｖ＂）口。月午王作者

5、签名：别管林日期：作巧么。＾指导教师签名抑曰期午巧曰卑作者联系电话：电子邮箱：■联：系地址（含邮编）摘要神经信号记录系统已经成为神经科学研究最为主要的手段之一，其中前端链路是神经信号记录系统中最为关键的一部分，直接决定了记录系统的整体性能。神经信号特有的信号特征和植入式系统的具体应用场景，为前端链路的设计在功耗、噪声和芯片面积等方面带来了新的挑战。本文针对不同的应用，研究对应的植入式神经信号记录系统中的前端电路模块。主要工作包括：1、针对具体的神经科学实验中对不同神经信号分别采集的具体需求，基于0.18µmCMOS工艺，设计了一款低噪声、低功耗且增益带宽可变的神经信号

6、记录前端链路。该电路由前端放大电路、可变增益放大电路和Gm-C滤波器组成。在前端放大电路设计中，通过采用电流复用技术，在不增加功耗的情况下进一步减小等效输入噪声。利用Gm-C滤波器，可以有效减小神经信号滤波器的芯片面积，同时可以通过调节Gm-C滤波器中跨导运算放大器（OperationalTransconductanceAmplifier,OTA）的跨导，调节该滤波器的-3-dB低通截止频率。芯片测试结果表明，在1.8V供电下，电路消耗的总电流为22.3µA（包括偏置电路），前端放大电路在带宽为200Hz~5000Hz和1Hz~5kHz时的等效输入参考噪声分别为4.43µVrms和6.7

7、4µVrms，增益为46dB~64dB，高通截止频率和低通截止频率分别在0.1Hz~600Hz和600Hz~8kHz范围内可调。2、针对犹他电极和密歇根电极这两种高通量神经信号传感器，为了提高多通道神经记录系统的空间分辨率，基于0.18µmCMOS工艺，设计了一款用于多通道神经信号记录的新型前端链路，包括前端放大器和带通滤波器。该设计具有面积小、低噪声和高输入阻抗等优点。在前端放大器的设计中，通过对传统折叠套筒式全差分运算放大器进行