低功耗全整合微電子神經橋接電路的設計論文
0引言
長期以來，由於戰爭、疾病、工傷、自然災害、交通事故及意外傷害使得成千上萬人的脊髓神經受損，作為一種嚴重的傷殘，給患者及其家庭造成了沉重的負擔。因此神經的損傷與再生一直是神經科學研究中的一項重要課題。
近年來，生物神經科學家們正在透過訊號轉導通路、神經營養因子、細胞移植、剔除神經生長抑制因子及基因治療等方法來治療脊髓損傷。其中，採用幹細胞移植修復脊髓損傷的研究已經取得了階段性的成果，但到目前為止仍然處於實驗室研究階段00。因此，探索其他治療途徑具有重要意義。在微電子學技術高速發展的時代，積體電路的特徵尺寸已進入奈米階段，應用電子資訊科學和技術去重建作為生命重要組成部分的生物神經系統的功能已成為可能。
本文中的微電子神經橋就是利用微電子晶片或模組旁路受損神經傳導束，重建因神經通路中斷而喪失的功能。其概念的首次提出是在2005年3,在這6年的研究過程中，課題組先後研製了6套微電子神經橋接系統[4_3,但這些系統主要基於分立元件模組的基礎上透過PCB板製作而成，開展的動物實驗也都是在體外進行的。微電子神經橋接的最終目標是成為體內可植入式器件，除了需要考慮植入裝置封裝材料的生物相容性之外，首先需要將系統實現微型化，本文介紹了一種採用0.5xmCMOS工藝實現的全整合微電子神經橋系統。
1全整合微電子神經橋系統結構
全整合微電子神經橋系統原理如圖1所示。在系統輸入端加了帶阻值為1kn電阻R01和Rm的ESD保護。在輸入端加帶電阻Rm和Rm的`ESD保護有4個作用，①防止靜電擊穿，防止輸入端懸空。②使兩個輸入端的靜電位為地。兩個反向二極體對Id-Vss分壓正好使得系統的兩個輸入端的靜電位為零。③有低通濾波作用。R=1kn與輸入端的寄生電容構成低通濾波作用（R=R01=R02)。④加R=1kn對緩衝電路來講影響很小，因為緩衝級輸入電阻、訊號源內阻都很高。由於電流流經電極和電解質溶液之間使電極電勢偏離平衡電極電勢的現象稱為電極的極化。極化使電極-電解質溶液間的電位發生變化。電極電位往往比要測定的生物電訊號強，而且電極電位是一個變化量，因此為了有效地檢測生物電訊號，應儘量使電極電位趨於恆定，並儘量降低其數值。採用高阻抗的放大器可以降低記錄電極的電位值。故緊接著ESD保護電路的輸入端採用運算放大器構成的跟隨器以提高放大電路的輸入阻抗並與兩個場效電晶體M1,M2的源漏間的等效電阻和C1,C2一起構成緩衝隔離級。
為了抑制共模噪聲，減少共模噪聲引入微電子神經橋系統，由兩個低噪聲低功耗運算放大器A1與另一運算放大器A2—起構成三運放儀表放大器結構。另有一個運算放大器A1在R和&之間，與M3的源漏間等效電阻和電容Q構成密勒積分器構成電壓負反饋，起到抑制直流和低頻電壓分量和交流賴合的作用。
該系統的低頻下限頻率為
式中，為Mg對應的漏極電阻，Rg為片外可調電阻，從而使微電子神經橋系統增益可調。
對於可植入式神經假體來說，除了需要考慮生物相容性等問題外，從電子學的角度出發，理想的微電子神經橋晶片系統還需要考慮低功耗、低噪聲的問題。微電子神經橋的核心是低噪聲低功耗兩級運算放大器和軌至軌恆跨導放大器兩個單元電路的設計。下面將介紹低噪聲低功耗兩級運算放大器和軌至軌高增益恆跨導運算放大器的設計。
2單元電路設計
2.1低功耗兩級運算放大器的設計
基本的單級放大器的低頻電壓增益不夠高，這會導致由它構成的反饋放大器具有很低的環路增益和很大的靜態增益誤差，而且基本單級放大器的輸出電壓擺幅與輸入共模電平有關，在實際應用中無法獲得最大的輸出擺幅，不能滿足要求故本系統採用兩級低功耗CMOS運算放大器，如圖2所示。
下面對輸入級和輸出級單獨進行小訊號分析。放大電路的小訊號等效電路如圖3所示。圖3(a)和（b)分別是差分輸入級和輸出級的小訊號等效電路圖。其中圖3(a)中假設放大器的兩條支路完全匹配，虛線的電容為寄生電容或負載電容。圖3(b)中虛線電容為運算放大器的負載電容。由於PMOS管比相同尺寸NMOS的跨導值小，所以兩級運算放大器選擇PMOS管作為差分輸入管，且溝道寬W和溝道長L的乘積足夠大。電路的輸出級採用電流鏡負載的NMOS反相放大電路結構。小訊號電壓增益實際上是電路跨導值與交流輸出電阻的乘積。整個運放的增益為輸入級和輸出級的增益乘積，即表1為低噪聲兩級運算放大器的模擬結果,Vdd為電源電壓，G為增益，0為相位裕度，s為版圖面積，PSRR為電源電壓抑制比。因無錫華潤上華（CSMC)2P3M0.5pm標準CMOS工藝庫中沒有提供1/f噪聲模型，表中所列等效輸入噪聲不包括1If噪聲分量。
2.2軌至軌高增益恆跨導運算放大器
構成增益級和輸出級運算放大器應具有輸入輸出全擺幅和高增益的特點，同時要求在輸入共模電平範圍內系統能恆增益放大。在微電子神經橋的增益級及輸出級採用全擺幅高增益恆跨導摺疊運算放摺疊運算放大器具有在輸入共模電壓變化時保持有效輸入跨導不變及高增益的特點。MN1,MN2構成n型輸入對管，MP1、MP2構成p型輸入對管,MP3、MN3的漏柵相接構成二極體，並相互串聯，MP1、MN1、MP3、MN3四個MOS電晶體組成的前饋控制迴路，滿足設計時使輸入管的K相等，MP3和MN3取輸入管K的6倍，則式（4)為則輸入級的跨導表示式為當p型和n型差分對同時處於飽和狀態時，兩差分對的偏置電流均為！_/4,流過前饋通路的電流為3!_/4。此時，兩個互補差分對偏置電流平方根之和滿足關係式（7),為與相關的恆定值。
當輸入共模電壓較大時，p型差分對管截止，而n型差分對的共源端電壓會跟隨輸入電壓升高，使MP3和MN3無法導通，則前饋通路中的電流為零，偏置電流全部用於給n型差分對管提供偏置電流，關係式（7)仍成立。類似地，當輸入共模電壓較小時，偏置電流全部用於給p型差分對管提供偏置電流，關係式（7)還是成立。這樣在輸入共模電壓發生變化時，輸入級跨導可以保持恆定。
全擺幅恆跨導摺疊運算放大器的輸出級採用AB類共源結構。兩個共源電晶體分別由兩個同相電流訊號驅動，電流求和電路採用浮動電流源。恆跨導運算放大器的增益為
表2所示為全擺幅恆跨導運算放大器模擬結果，P為功耗。
表2全擺幅恆跨導運算放大器模擬結果Tab.2
3微電子神經橋系統版圖及模擬
圖5是全整合微電子神經橋系統採用無錫華潤上華（CSMC)2P3M0.5pm標準CMOS工藝設計的版圖，面積為1.21mmX1.18mm。
圖6是微電子神經橋系統在SPECTRE中的關於幅頻特性曲線模擬結果。模擬結果表明，全整合微電子系統的幅頻特性曲線的頻帶覆蓋了神經訊號的能量頻段°8(100Hz~7kHz),從而從理論上保證神經訊號的有效採集及超低頻和高頻噪聲的抑制。表3列出了其他系統性能的模擬結果。由此可看出，系統功耗為3.4mW,遠低於前一套?部分整合的微電子神經橋接電路的功耗。
4.結論
微電子神經橋是神經訊號再生和功能重建的關鍵組成部分。本文設計了低功耗兩級運算放大器和輸入/輸出軌至軌運算放大器，並應用兩個運算放大器，研究和設計了低功耗、全整合微電子神經橋電路。微電子神經橋系統幅頻特性模擬結果表明,系統放大部分的通頻帶完全覆蓋神經訊號的頻譜範圍，且增益足夠大，表明該系統適用於神經訊號探測和功能電激勵。系統功耗僅為3.4mW,使得微電子神經橋向最終實現體內植入邁進了一步。