一种用于神经记录应用的低功耗低噪声CMOS放大器

简介：
本论文提出了一种专门针对神经信号记录设计的超低功耗、超低噪声CMOS前端放大器。该放大器在保持高性能的同时，大大降低了能耗和噪音水平，非常适合植入式脑机接口等应用需求。 ### 低功耗低噪声CMOS放大器在神经记录应用中的设计 #### 摘要与背景 随着科学研究及临床应用领域的发展，对能够有效放大从毫赫兹到千赫兹范围内的信号，并同时抑制电极-组织界面产生的大直流偏移的生物信号放大器的需求日益增加。全植入式多电极阵列技术的进步使得对于低功耗、高性能微功率放大器的要求更加迫切。本段落介绍了一种新型生物放大器的设计与测试，该放大器采用MOS-双极伪电阻元件来实现对低频信号的有效放大，并能有效抑制大直流偏移。我们推导了噪声效率因子这一关键指标，并证明通过选择性地使MOS晶体管工作在弱反转或强反转状态，我们的设计能够接近理论的最优性能。 #### 关键技术点 1. **MOS-双极伪电阻元件**：这种元件结合了MOS和双极晶体管的优点，在放大低频信号同时抑制大直流偏移方面表现出色。 2. **噪声效率因子**：衡量放大器在不同功耗水平下的最佳噪声性能，通过优化设计可以实现最优的噪声与功耗平衡。 3. **弱反转与强反转操作**：根据具体需求调整MOS晶体管的工作模式，在低电流区域（弱反转）下降低噪声，在高电流区域（强反转）提高放大增益。 4. **全集成微功率放大器**：采用标准1.5微米CMOS工艺制造，具有极小的芯片面积和超低功耗特点。 #### 设计与实现 - **工作原理**：通过利用MOS-双极伪电阻元件作为核心组件，并控制晶体管的工作模式，该设计能够在0.025 Hz至7.2 kHz范围内提供稳定的放大性能。输入等效噪声为2.2纳伏均方根值。 - **实验结果**：测试表明，在1.5微米CMOS工艺下，所开发的放大器能够稳定工作并满足预期设计要求。此外，还成功研制了一款脑电图放大器，其带宽达到30 Hz，并且功耗仅为0.9微瓦。 #### 结论与展望 本段落提出的设计不仅解决了传统生物信号放大器存在的高功耗和大体积问题，在保持低噪声的同时实现了更高的集成度及更小的功耗。这为未来植入式多电极阵列系统的发展提供了重要的技术支撑，随着研究和技术进步，未来的神经记录设备将能够同时监测更多的神经元活动，并对神经科学与临床应用产生革命性影响。