CN101248993A - 有源神经微电极的专用信号调理控制芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有源神经微电极专用信号调理控制芯片，属于微电子技术领域。本发明针对有源神经微电极的专用调理控制芯片的方案有效的克服了现有技术必须采用双端输入，双电源，不能同时刺激神经组织等问题；该控制芯片包括：高通滤波模块，偏置电路，放大电路，反馈网络，门控开关，多路选择器，模式识别模块，各个功能模块之间顺序串联。设计应用了单电源，单端输入，多路放大和数模混合技术，并设计了专门针对神经信号的滤波，偏置以及放大模块，完成对神经信号的采集，并且把刺激模块集成在同一块芯片上，不但增强了芯片的功能，也简化了外围及后续电路的设计，使治疗与中枢神经系统有关的疾病变得更为切实可行。

Description

有源神经微电极的专用信号调理控制芯片

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种有源神经微电极专用的针对生物体神经信号的调理控制芯片。

背景技术

随着MEMS加工工艺的发展，神经微电极已经发展到多维阵列水平，与之对应所需要的信号调理控制电路也成几何级数增加，芯片的尺寸，功耗，集成度就显得越来越重要；加上神经信号本身具有幅值小，频率低，高阻抗下纪录以及受极化电压干扰大的特点，所以有源神经微电极的专用信号调理控制芯片便成为了当今有源神经微电极技术中的重点和难点。

国内外目前的调理控制芯片多采用双端输入，一端接被测量神经信号，一端接参考信号。但是，由于测量电极和参考电极的极化电压会由于插入方向的不同而产生较大的变化，以及神经组织各向异性的影响，会导致参考实效，造成测量的不稳定性。电源方面，多采用双电源设计，这样既增加了电源的复杂性和不稳定性，也不利于便携式的应用。

增益方面，在论文“Sui Xiaohong，Liu Jinbin，Gu Ming等，Simulationof a Monolithic Integrated CM OS Preamplifier for Neural Recordings，半导体学报第26卷第12期”中公开了一种一级电容式的闭环结构，详细结构见附图1，这种结构只适用于双端输入的情况，且电容受频率变化影响较大。在论文“王余峰王志功吕晓迎等，单片集成低功耗神经信号检测CMOS放大器，半导体学报第27卷第8期”中公开了一种电流模式仪表放大器电路，详细结构见附图2，虽然增益，带宽，以及共模抑制比较好，但是芯片尺寸和功耗也随之提升，不利于多路检测使用。

此外，这些芯片都是针对单路放大设计，没有很好的把多维电极和多路放大器结合起来。

发明内容

本发明的任务是为有源神经微电极设计专用的信号调理控制芯片，使其装配在硅基微电极上，构成有源微电极，实现采集神经信号并刺激神经组织的功能。

本发明所述有源神经微电极的专用信号调理控制芯片包括：高通滤波模块，偏置电路，放大电路，反馈网络，门控开关，多路选择器，模式识别模块，各个功能模块之间顺序串联。

上述高通滤波模块是由放大器前端的一个输入负载，铂铱合金测点与电解液面双电层所形成的电容构成；上述输入负载阻值大于30MΩ；上述输入负载采用了MOS管结构；

上述高通滤波模块包括：两级电流镜，一个亚阈值状态的mos管；

第一级电流镜：P沟道无源电流镜结构，共栅共源连接，缩小比例20倍；

第二级电流镜：N沟道无源电流镜结构，共栅共源连接，缩小比例20倍。

上述偏置电路采用MOS管源跟随器实现；nmos管1和pmos管2组成的分压式基准电压结构电流源，向由pmos管3和4组成无源电流镜结构的电流镜提供电流，电流镜将此电流镜像到由nmos管5和pmos管6，使两管均处在饱和导通状态，组成源跟随器的结构。

上述放大电路采用两级放大结构，具有约80dB的共模抑制比，高达20g欧姆的输入阻抗，相位裕度约为65度。

上述反馈网络采用电阻网络结构，闭环增益达40dB。

上述模式识别模块包括：顺序串联的反向器和与非门。

本系统采用图3所示的结构框图来实现有源神经微电极的采集及刺激。

有源神经电极的专用信号调理控制芯片的结构是由32路放大器和一个多路选择器构成。其中每一个单路放大其中又分为模拟和数字两大部分。模拟部分主要负责信号的滤波，偏置及放大，数字部分负责控制单路的选通和模式的识别。

本发明有两种主要的工作状态，采集模式和刺激模式。在采集模式中，通过地址信号和模式信号选通所需要的单路放大器，通过微电极对神经信号采集提取，再在芯片上进行信号调理，滤除极化电压，并对神经信号进行约100倍的放大；刺激模式下，通过地址信号和模式信号选通所需要的微电极，将刺激信号经过神经微电极送入神经细胞，从而实现对神经细胞的信号采集及刺激。

本发明相对于现有技术，有如下优点：

(1)采用针对有源神经微电极的专用调理控制芯片的方案有效的克服了现有技术必须采用双端输入，双电源，不能同时刺激神经组织等问题；

(2)对基于微电子工艺所设计的专用调理控制芯片的集成进行了探索研究，为神经信号的采集和对神经组织的刺激提供了有效的途径，为神经生理学，神经假肢的发展提供了必要的工具。它可以使我们更好地理解中枢神经系统神经元之间复杂的相互关系，和为开发实用的神经假体提供所需的高度保真的知觉和控制信息，使治疗与中枢神经系统有关的疾病变得更为切实可行。

(3)我们的设计应用了单电源，单端输入，多路放大和数模混合技术，并设计了专门针对神经信号的滤波，偏置以及放大模块，完成对神经信号的采集，并且把刺激模块集成在同一块芯片上，不但增强了芯片的功能，也简化了外围及后续电路的设计。

附图说明

图1  采用一级电容式的闭环结构设计的放大器电路；

图2  电流模式仪表放大器电路；

图3  专用信号调理控制芯片的结构图；

图4  典型神经脉冲信号；

图5  微电极测量神经信号的等效电路图；

图6  高通滤波模块电路图；

图7  高通滤波模块仿真结果；

图8  偏置电路图；

图9  偏置电路仿真结果；

图10 反馈网络电路图；

图11 采集模式识别电路图；

图12 刺激模式识别电路图；

具体实施方式

如图4所示，典型的神经信号为幅值50-500uV，频率为100Hz-10kHz的脉冲信号。

对照图5所示的硅微电极穿过神经组织细胞测量其细胞膜电位的情况，Re代表双电层上的泄漏电阻，Ce代表铂铱合金测点与电解液面双电层所表现的电容性；Resp代表细胞内电解液的电阻，R1和C1为电极互连线电阻及互连线外部隔离层与组织液之间的分布电容；Ra和Ca代表放大器的输入阻抗。与电极的阻抗Re和Ce来比，其他几个参数在神经信号的频率范围内一般可以忽略。

为了抑制微电极在组织液中极化而产生的直流电压干扰，使交流信号衰减很小，需要在放大器的前端加一个输入负载R，它和Ce构成高通滤波。此高通滤波器的截至频率应不高于100Hz，而微电极在100Hz附近的阻抗在13MΩ，根据简单的计算，输入负载R应该大于30MΩ以保证截至频率。而这么大的电阻如果用cmos工艺制作，一方面占用面积大，一方面制造误差大，所以本发明中采用了一种特殊的mos管结构以构成所需要的电阻。

如图6所示，此高通滤波模块主要由两极电流镜构成，最后用处在亚阈值状态的mos管的高输出电阻特性来形成一个大于30MΩ的电阻。首先，由nmos管1和pmos管2构成电流源，产生一个4uA的漏电流id1，此电流被由pmos管3和pmos管4构成的电流镜按照比例缩小，缩小比例为4管和3管的宽长比之比例S4/S3，本发明中S4/S3设定为1/20。然后，经电流镜缩小后的id2，再次由nmos管5和并联的nmos管6-9构成的第二级电流镜缩小，6-9管采用同样的宽长比，这样缩小的比例为(S6+S7+S8+S9)/S5＝4*S6/S5。id2再经缩小后可接近纳安级别，使6-9管处于亚阈值状态，由输出电阻和漏电流的关系

$r_0\≈\frac{1}{{\mathrm{\λi}}_d}$

可知，此时输出电阻已远高于30MΩ，从而使截止频率低于100Hz。仿真结果见图7。

值得一提的是，采用并联的nmos管这种结构，可以通过简单的增加或者减少并联的mos管的数量，来调整输出电阻以调整截至频率，而不用调整前级电路。这对于简化电路设计和调试提供了很大方便。

神经信号经过高通滤波模块后，将高达一百毫伏的极化电压滤除，只留下幅值约在50-500微伏，频率在100Hz-10kHz的神经信号。此信号是无偏置的，即零点为零电势，但片上放大电路采用单电源3.3伏设计，对输入的神经信号，只能放大正半波，使输出波形严重失真。因此为了获得不失真的神经信号交流波形，就必须将神经信号偏置到电源电势的中值附近，即1.65伏才能实现放大器的轨对轨输出，确保输出信号的摆幅在供电电源范围内。

本发明中的偏置电路采用MOS管源跟随器实现。源跟随器(也叫做共漏级放大器)本身可以起到一个电压缓冲器的作用，使信号的损失小到可以忽略不计。

如图8所示，nmos管1和pmos管2组成电流源，向由pmos管3和4组成的电流镜提供电流，电流镜将此电流镜像到由nmos管5和pmos管6，使两管均处在饱和导通状态，组成源跟随器的结构。神经信号由input端输入，此时是以自然地为基准的脉冲，进入6管的栅极，由ourput端输出。输出时得神经信号波形不变，基准是output点的直流电压，此电压等于5，6两管的Vds之和，本发明中，可以通过调整3，4管的宽长比之比来控制漏电流Id，从而将output点的电压控制在1.65v左右，实现对神经信号的偏置处理。

图9是利用Hspice仿真的结果，上面是input信号，以自然地为基准，下面是output信号，偏置到1.65v，并且很好的保持了波形一致。

经过滤波和偏置的神经信号进入到放大器进行放大，放大器采用经典的两级放大结构，此具有约80dB的共模抑制比，高达20g欧姆的输入阻抗，相位裕度约为65度，能够有效的实现电阻匹配，抑制寄生电容造成的衰减，并由反馈网络构成闭环结构。

反馈网络采用电阻网络结构，闭环增益达40dB，能够很好的实现对神经信号的放大。之所以采用电阻网络，是由本发明中神经信号的单端输入方式决定的，如图10所示，

A_v＝(R₂+R₃+R₄)[R₁+R₂P(R₃+R₄))]/R₂R₄，适当调整电阻阻值，可使放大器的交流增益达42dB左右。值得一提的是，反馈网络中虚地点应和神经信号的偏置基准保持一致，在本发明中，此为1.65v。

模式识别模块分为两部分，一部分是采集模式识别，一部分是刺激模式识别，采用数字电路设计，利用反向器和与非门构成所需要的逻辑电路关系。采集模式识别电路如图11所示。

节点p是门控开关的控制信号，它的值由adress和mode信号的逻辑来决定，本发明中， $p=\stackrel{\‾}{a}\·m$ ，其中a代表adress信号，由多路选择器提供，低电平有效，m代表mode信号，由用户控制，高电平代表采集模式。当adress为低电平，mode为高电平时，由关系式可知，p点为高电平，此时门控开关打开，使放大电路的输出能够从芯片传输到后续电路，实现采集模式。

刺激模式电路如图12，节点p是门控开关的控制信号，它的值由adress和mode信号的逻辑来决定，本发明中， $p=\stackrel{\‾}{a}\·\stackrel{\‾}{m},$ 其中a代表adress信号，由多路选择器提供，低电平有效，m代表mode信号，由用户控制，低电平代表刺激模式。当adress为低电平，mode为高电平时，由关系式可知，p点为高电平，此时门控开关打开，使用户提供的刺激信号能够通过芯片传输到神经组织，实现刺激模式。

多路选择器采用经典的5选32路结构，用5位的地址信号选通32路放大电路。

Claims (7)

1、有源神经微电极的专用信号调理控制芯片，包括：高通滤波模块，偏置电路，放大电路，反馈网络，门控开关，多路选择器，模式识别模块，各个功能模块之间顺序串联。

2、根据权利要求1所述有源神经微电极的专用信号调理控制芯片，其特征在于，所述高通滤波模块是由放大器前端的一个输入负载，铂铱合金测点与电解液面双电层所形成的电容构成；所述输入负载阻值大于30MΩ；所述输入负载采用了MOS管结构。

3、根据权利要求1所述有源神经微电极的专用信号调理控制芯片，其特征在于，所述高通滤波模块包括：两级电流镜，一个亚阈值状态的mos管；

第一级电流镜：P沟道无源电流镜结构，共栅共源连接，缩小比例20倍；

第二级电流镜：N沟道无源电流镜结构，共栅共源连接，缩小比例20倍。

4、根据权利要求1所述有源神经微电极的专用信号调理控制芯片，其特征在于，所述偏置电路采用MOS管源跟随器实现；nmos管1和pmos管2组成的分压式基准电压结构电流源，向由pmos管3和pmos管4组成无源电流镜结构的电流镜提供电流，电流镜将此电流镜像到由nmos管5和pmos管6，使两管均处在饱和导通状态，组成源跟随器的结构。

5、根据权利要求1所述有源神经微电极的专用信号调理控制芯片，其特征在于，所述放大电路采用两级放大结构，具有约80dB的共模抑制比，高达20g欧姆的输入阻抗，相位裕度约为65度。

6、根据权利要求1所述有源神经微电极的专用信号调理控制芯片，其特征在于，所述反馈网络采用电阻网络结构，闭环增益达40dB。

7、根据权利要求1所述有源神经微电极的专用信号调理控制芯片，其特征在于，所述模式识别模块包括：顺序串联的反向器和与非门。

Images