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适用于神经接口的高共模抑制比Delta-Sigma调制器研究与设计

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适用于神经接口的高共模抑制比Delta-Sigma调制器研究与设计

作者：张禄鑫电子科技大学

学位级别：硕士

随着医疗技术和神经科学研究的深入发展,生物电信号已经成为现代医学上监护、诊断和治疗病患不可或缺的重要手段。脑电信号作为人体生物电信号的一种重要类别,含有丰富的大脑神经电活动信息,大脑神经电信号的采集对大脑研究、生理研究... 详细信息

随着医疗技术和神经科学研究的深入发展,生物电信号已经成为现代医学上监护、诊断和治疗病患不可或缺的重要手段。脑电信号作为人体生物电信号的一种重要类别,含有丰富的大脑神经电活动信息,大脑神经电信号的采集对大脑研究、生理研究和临床脑疾病诊断有重大意义。而目前大多数的神经信号采集仪器体积较为庞大且为有线装置,这种装置经由皮肤将植入的电极和外部的电子设备通过有线连接进行信号采集,这样的采集方式会使病患面临显著的感染风险,同时限制了病患的活动以及诊治时间。为了克服这些限制,因此小型化、完全可植入以及无线装置是未来神经信号采集系统的重要发展方向。神经信号的采集固然重要,神经刺激对于药物治疗无效的患者同样必不可少。神经刺激是通过向大脑特定区域发送控制的电流脉冲调节大脑的活动。由神经采集系统和神经刺激形成的闭环神经系统中,神经刺激会在采集点产生一系列干扰信号。因此,对采集前端有高输入阻抗、高共模抑制比、低功耗等诸多性能要求。本文主要针对适用于神经信号采集前端的连续时间ΔΣ调制器结合仪表放大器展开研究工作。首先介绍神经电信号的特点,包括幅值特性以及频域特性,介绍神经采集系统的模型,分析采集时存在的干扰,以此确定电路的性能指标。其次,提出了一种由仪表放大器和连续时间ΔΣ调制器组成的采集系统架构,对仪表放大器中运用的电路技术进行了详细的阐述,包括斩波调制技术、纹波消除技术、正反馈回路以及共模复制技术来使放大器前端直流失调以及1/f噪声降低,提高放大器的输入阻抗和共模抑制比。详细介绍了连续时间ΔΣ调制器的基本原理,基于离散模型介绍了多种向连续域等效转换的方法,讨论了连续时间ΔΣ调制器的非理想因素,如环路延迟、积分器非线性和时钟抖动等。利用MATLAB中的SIMULINK工具进行行为建模,根据冲激时不变原理计算出调制器中各个参数值。采用数字域的一阶噪声耦合提高噪声整形效果,采用DWA算法改进反馈DAC的失配,提高线性度。在通过Simulink建模验证的三阶ΔΣ调制器结构的基础上,进行电路设计与仿真。基于标准CMOS 0.18μm工艺的仿真结果表明,在1.8V的供电电压下,本设计中的仪表放大器在100Hz处共模抑制比最低为141.4d B。在输入信号频率为361Hz时,连续时间ΔΣ调制器的SNDR为93.1d B,ENOB为15.1位。

关键词：植入式神经电信号模拟前端连续时间ΔΣ调制器高共模抑制比

一种低噪声高共模抑制比运算放大器的分析与设计

同方学位论文库评论

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数字通信 2014年第2期41卷 77-80页

作者：罗鹏庞宇重庆邮电大学光电工程学院重庆400065

低噪声高共模抑制比的运算放大器是将套筒式共源共栅结构、差分输出和共模负反馈相结合,设计出的一种新型运算放大器。基于SMIC0.18μm工艺模型对电路进行设计,仿真结果表明该电路的开环增益为82.3 dB,相位裕度为66°,共模抑制比为122 ... 详细信息

低噪声高共模抑制比的运算放大器是将套筒式共源共栅结构、差分输出和共模负反馈相结合,设计出的一种新型运算放大器。基于SMIC0.18μm工艺模型对电路进行设计,仿真结果表明该电路的开环增益为82.3 dB,相位裕度为66°,共模抑制比为122 dB,增益平坦带宽为15 MHz,噪声为7.781 nV/sqrt(Hz),达到设计要求。

关键词：低噪声高共模抑制比套筒式共源共栅共模反馈

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一种低价格高共模抑制比生物电放大器的研制

医疗设备信息 1991年第1期6卷 4-7页

作者：曹培杰杨胜国第四军医大学医电系第四军医大学医电系

一、引言生物电信号的特点是频率低,幅度小,而人体周围由于存在着大量的电磁场,因而人体感应有较大的干扰电压(1.2)。在这种干扰中获取有用的微弱信号,前置放大器必须具有高共模抑制能力,高放大倍数以及低噪声特性。又由于人体电极—... 详细信息

一、引言生物电信号的特点是频率低,幅度小,而人体周围由于存在着大量的电磁场,因而人体感应有较大的干扰电压(1.2)。在这种干扰中获取有用的微弱信号,前置放大器必须具有高共模抑制能力,高放大倍数以及低噪声特性。又由于人体电极——皮肤接触阻抗一般较大,为减少该阻抗失衡的影响,前置放大器必须具有高输入阻抗。

关键词：生物电放大器研制高共模抑制比

0.13μm CMOS工艺下一种高共模抑制比运算跨导放大器设计与仿真

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0.13μm CMOS工艺下一种高共模抑制比运算跨导放大器设计与仿真

2019中国西部声学学术交流会

作者：万中强白春风乔东海苏州大学电子信息学院中国科学院声学研究所

随着微电子技术的发展,先进CMOS工艺的电源电压已经降至1.2V甚至更低,这使得模拟电路中广泛使用的运算跨导放大器的电压裕度分配比较紧张。电压裕度不充裕会导致差分输入对尾电流源的输出阻抗下降,进而,运算跨导放大器的共模抑制比（CMR... 详细信息

随着微电子技术的发展,先进CMOS工艺的电源电压已经降至1.2V甚至更低,这使得模拟电路中广泛使用的运算跨导放大器的电压裕度分配比较紧张。电压裕度不充裕会导致差分输入对尾电流源的输出阻抗下降,进而,运算跨导放大器的共模抑制比（CMRR）会显著下降。本文提出一个在深亚微米CMOS工艺下仍能够维持高CMRR的运算跨导放大器,还具有共模输入范围宽的优点,拓展了其在电路设计中的应用。

关键词：深亚微米工艺低工作电压高共模抑制比运算跨导放大器

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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一种高共模电压集成差分放大器的设计

微电子学与计算机 2024年第2期41卷 52-57页

作者：张鑫魏海龙尤路陈蒙西安微电子技术研究所陕西西安710054

针对差分放大器芯片国产化的需求,基于兼容金属薄膜电阻40 V双极工艺,设计一款高共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio,CMRR)、±120 V共模输入电压的集成差分放大器。文章介绍了高共模电压差分放大器的基本原理和结构组成,分析了差... 详细信息

针对差分放大器芯片国产化的需求,基于兼容金属薄膜电阻40 V双极工艺,设计一款高共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio,CMRR)、±120 V共模输入电压的集成差分放大器。文章介绍了高共模电压差分放大器的基本原理和结构组成,分析了差分放大器的设计难点,分别为共模抑制比、输入失调电流以及增益误差,采用片内集成金属薄膜电阻结合激光在线修调技术实现高共模抑制比、通过改进型的基极电流补偿结构降低了输入失调电流,减少输入失调电流对电路采样精度的影响,采用改进型达林顿管提高放大器的开环增益,降低放大器的增益误差。整体芯片尺寸为2.82 mm×2.02 mm,采用±15 V双电源供电,静态电流为1.36 mA。流片后的测试结果表明:差分放大器在正常供电时,共模抑制比达到85 dB,输入失调电流仅为84 pA,失调电流的补偿精度达到98.1%,增益误差为0.02%。

关键词：差分放大器高共模抑制比高共模输入电压基极电流补偿结构

用于神经信号采集的高PSRR及CMRR植入式模拟前端

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华南理工大学学报（自然科学版） 2015年第1期43卷 15-20页

作者：吴朝晖谢宇智赵明剑李斌华南理工大学电子与信息学院广东广州510640

针对人体内神经电信号非常微弱、噪声大、环境干扰大等特点,研究与设计了一款应用于神经信号采集的高电源抑制比(PSRR)和共模抑制比(CMRR)的低噪声植入式模拟前端.该模拟前端采用全差分结构来实现模拟前端中的前置放大器、开关电容滤波... 详细信息

针对人体内神经电信号非常微弱、噪声大、环境干扰大等特点,研究与设计了一款应用于神经信号采集的高电源抑制比(PSRR)和共模抑制比(CMRR)的低噪声植入式模拟前端.该模拟前端采用全差分结构来实现模拟前端中的前置放大器、开关电容滤波器及可变增益放大器,使得电路具有较好的电源抑制比和共模抑制比;采用斩波调制技术来抑制电路的低频噪声,并通过带电流数模转换器(DAC)的纹波抑制环路来抑制前置放大器的输出纹波,从而使该模拟前端在具有高PSRR和CMRR的同时能保持低噪声性能.文中采用0.18μm CMOS工艺设计该模拟前端芯片,版图后仿真结果表明,该模拟前端在0.1 Hz^10 k Hz内的等效输入噪声为2.59μV,实现了46.35、52.18、60.02、65.95 d B可调增益,CMRR和PSRR分别可达146及108d B,很好地满足了植入式神经信号采集的要求.

关键词：神经信号模拟电路模拟前端植入式器件高电源抑制比高共模抑制比

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低压低功耗CMOS电流运算放大器的设计

半导体技术 2007年第11期32卷 970-974页

作者：杜广涛陈向东梁恒王红燕彭建华西南交通大学信息科学与技术学院电路与系统实验室成都610031

设计了一种新型CMOS电流反馈运算放大器结构,通过在输出端采用电阻反馈,增强负载能力,利用MOS管实现串联电阻以消除补偿电容带来的低频零点。使用0.5μm CMOS工艺参数,PSPICE模拟结果获得了与增益关系不大的带宽。电路参数为:80.7 dB的... 详细信息

设计了一种新型CMOS电流反馈运算放大器结构,通过在输出端采用电阻反馈,增强负载能力,利用MOS管实现串联电阻以消除补偿电容带来的低频零点。使用0.5μm CMOS工艺参数,PSPICE模拟结果获得了与增益关系不大的带宽。电路参数为:80.7 dB的开环增益,266 MHz的单位增益带宽,62°的相位裕度,149 dB共模抑制比以及在1.2 V电源电压仅产生0.82 mW的功耗。

关键词：低压低功耗高共模抑制比电流运算放大器宽带

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一种高CMRR高增益运算放大器的设计

微电子学 2015年第4期45卷 457-460页

作者：何泽炜郭俊张国俊电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室成都610054

设计了一种基于TSMC 0.5μm工艺的高共模抑制比、高增益运算放大器。针对该运放的结构,提出了相应的频率补偿方法,使得电路具有较好的稳定性。该运放可用于生物电势信号检测等对共模抑制比要求较高的场合。仿真结果表明,电路的共模抑制... 详细信息

设计了一种基于TSMC 0.5μm工艺的高共模抑制比、高增益运算放大器。针对该运放的结构,提出了相应的频率补偿方法,使得电路具有较好的稳定性。该运放可用于生物电势信号检测等对共模抑制比要求较高的场合。仿真结果表明,电路的共模抑制比高达137dB,低频增益为117dB,单位增益带宽为6.36 MHz,功耗仅为227μW。

关键词：高共模抑制比高增益运算放大器频率补偿

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用于生物电信号检测的低噪声模拟前端设计

用于生物电信号检测的低噪声模拟前端设计

作者：魏雪杰电子科技大学

学位级别：硕士

轻量级、便携式可穿戴传感器设备的发展得益于半导体技术的持续发展。与传统的医疗设备相比,其体积和重量更小、功耗更低、能够为患者提供远程监测。因此,适用于生物电信号监测的系统,其发展前景和应用市场非常广阔。生物电信号采集系... 详细信息

轻量级、便携式可穿戴传感器设备的发展得益于半导体技术的持续发展。与传统的医疗设备相比,其体积和重量更小、功耗更低、能够为患者提供远程监测。因此,适用于生物电信号监测的系统,其发展前景和应用市场非常广阔。生物电信号采集系统的前端电路(AFE)是该监测系统中一个至关重要的模块,因为它决定了所采集到的信号质量,直接对系统性能造成影响。因此,需要设计性能良好的模拟前端电路。通过对生物电信号的幅频特性以及主要干扰特点的分析,设计了一款带宽增益可调、低噪声、高共模抑制比、适用于多种生物电信号获取的模拟前端电路。采集到的生物电信号需要进行放大和滤波,因此本文设计的模拟前端系统主要由低噪声前置放大器、可编程增益放大器(PGA)和低通滤波器(LPF)级联而成。低噪声前置放大器对生物电信号进行预防大,采用电容耦合负反馈结构,利用伪电阻与电容产生较低的高通截止频率来滤除电极的直流失调。对称性OTA在功耗、噪声和输出摆幅之间有很好的折中。可编程增益放大器使模拟前端电路增益可配置。电容输入式结构可以减小电阻带来的热噪声和MOS开关引入的非线性。低通滤波器滤除信号带外干扰,电流舵模块的引入使得低通滤波器不需要使用大电阻和大电容即可实现较低的截止频率,节省了芯片面积。采用标准130nm CMOS工艺,在1.2V单电源电压下,对所提出的生物电信号模拟前端系统进行设计与仿真。仿真结果显示:模拟前端电路增益两档可调,分别为34dB和48dB;带宽三档可调,分别为434.3mHz-1.057KHz、434.3mHz-124.2Hz、461.3mHz-57.97Hz,可用于肌电信号、心电信号和脑电信号的提取。模拟前端电路共模抑制比高达148dB,输入阻抗在0.5Hz处高达28.9GΩ,在50Hz处,输入阻抗为289.6 MΩ,高于设计要求。模拟前端电路的静态功耗为42μW,在0.5-100Hz频带内积分,等效输入噪声为4.4μV,版图面积约为0.18mm,满足设计要求。

关键词：生物电信号模拟前端低噪声高共模抑制比