低功耗低噪声脑电检测芯片设计技术研究

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近年来,随着全球各国家和地区“脑计划”的实施,人类对于大脑的研究热度逐渐升温。脑机接口(Brain-Computer-Interface,BCI)作为脑神经系统与外界设备之间的一种通讯手段,在科研、医疗、可穿戴设备等许多领域都具有重大的研究和应用价值。基于上述背景,本文针对脑机接口中的脑电检测集成电路芯片设计技术进行了深入的研究与实践,旨在实现低功耗、低噪声的脑电检测芯片。  提出了一种低功耗脑电检测放大器结构,以开关电容电路作为跨导放大器的负载,优化了芯片面积。以阻控振荡器对开关电容负载的时钟进行控制,实现了对放大器增益的连续调节。检测放大器采用电流复用技术和亚阈值电压设计方法,在保证噪声性能的同时降低了功耗。测试结果表明,在1.2V电源电压下,检测放大器的功耗约为790nW,100Hz带宽内的等效输入噪声为1.1μVRMS,片上有效面积仅为0.035mm2。  提出一种斩波前置放大器结构和一种基于电流调节的斩波纹波抑制技术,设计并实现了一款八通道脑电检测芯片。在斩波前置放大器中,采用斩波稳定技术降低了低频噪声,提高了共模抑制比和电源抑制比;采用电流复用技术和亚阈值电压设计,降低了放大器功耗;采用正反馈环路提高了放大器输入阻抗。测试结果显示,在1.8V电压下,检测芯片的单通道功耗约8.1μW,增益为72~81dB两位可编程,100Hz带宽内的等效输入噪声为0.8μVRMS,共模抑制比大于114dB,输入阻抗大于300MΩ。所提出的基于电流调节的斩波纹波抑制技术,能有效抑制检测电路的输出纹波(>1.2Vpp)至输出噪声电压之下。采用此检测芯片实现了对人脑α脑电波的检测,验证了芯片在人体环境测试的有效性。  针对脑电检测系统对稳定电源的需求,设计并实现了一款动态偏置线性稳定器(LDO)电路以及一款低功耗LDO电路。其中,动态偏置LDO的偏置电流随负载变化而变化,满足不同负载下的环路稳定性要求,其斜坡软启动电路能有效抑制LDO上电时的浪涌电流。所提出的低功耗LDO电路最小工作电压为0.8V,静态电流约4.9μA。为了给低电压的LDO电路提供基准电压,提出一种带预调制电路的低功耗基准电路,在0.8V电压下功耗约1.2μW,100Hz带宽内,电源抑制能力优于-65dB。
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