神经生物传感微阵列读出电路的研究

• 作 者: 张成伟
• 机 构: 重庆大学
• 出 处: 重庆大学
• 发表日期: 2010年期
• 关键词: 微电极 神经信号 读出电路 前馈补偿 版图

神经生物传感微阵列是以探测大脑内部神经信号的生物传感器,是微电子技术与神经生物学科重要结合。论文针对1×4神经传感微阵列的微弱电压信号,对CMOS读出电路以及神经微电极的制作进行了研究,为读出电路和神经微电极的系统集成打下基础。以神经生物传感微阵列为研究对象,了解神经微电极的基本结构及植入式方式,分析其电压输出信号的特点,根据探针电极的反应特性,建立微电极的电学模型。前置放大电路在读出电路中是非常重要的一部分。设计了基于前馈补偿技术的运算放大器。采用前馈补偿技术,避免了片上集成米勒补偿电容,同时也克服传统电路设计当中增益、带宽和相位裕度相互制约的问题,满足微电极信号低压、低功耗的要求。分析电阻反馈网络和电容反馈网络各自优缺点,选用电容反馈网络作为闭环反馈结构。由于前置放大电路放大倍数不足以对信号进行放大,故设计二次放大电路。二次放大电路采用轨对轨结构运算放大器,分析电路的基本结构,得到模拟仿真结果。同时采用电容反馈网络作为闭环反馈结构。分析读出电路的各种噪声,针对神经微电极读出电路的噪声,设计一种相关双采样电路,分析其双采样的原理,并进行模拟仿真。针对传感微阵列,需要设计数据选通器来控制微电极传感阵列单元。数据选通器由移位寄存器、反相器和传输门三部分组成。移位寄存器作为数据选通的核心部件,采用准静态CMOS移位寄存器电路结构,该结构具有使用元件少、功耗低等优点。最后给出了准静态CMOS移位寄存器和数据选通器的仿真结果。设计了一种结构简单的带隙基准电路,分析带隙基准电路的原理,并给出了仿真结果。在对读出电路进行模拟仿真之后,介绍了版图设计过程中应该注意的问题。采用0.5μm标准CMOS工艺规范,给出各个单元模块版图,设计了读出电路版图,并对版图进行DRC、LVS验证。最后,采用表面牺牲层技术对神经微电极的制作工艺流程进行探讨。