（电路与系统专业论文）电流激励神经信号再生集成电路设计研究.pdf

摘要 摘要 中枢神经系统的损伤非常普遍，但在医学上缺乏修复的方法。随着微电子学和神经 生物学等相关领域的飞速发展，可植入式芯片技术开始应用于神经疾病的研究与治疗。 本文中的电流激励神经信号再生集成电路探索了利用微电子学的方法恢复坏死或受损 的神经束功能。 采用分立器件研制的四通道神经信号再生电子系统已多次成功应用于动物实验的 神经信号再生，在该系统的基础上确定了电流激励神经信号再生集成电路的设计指标。 电流激励神经信号再生集成电路采用华润上华0 5 1 x mc m o s 工艺设计，电路包括神经信 号探测电路和跨导输出电路，神经信号探测电路由全差分运算放大器和仪表放大器组 成，跨导输出电路为一跨导放大器。芯片尺寸为0 9 3 m m x 0 6 0 r a m 。仿真结果显示在 2 5 v 工作电压下，芯片功耗8 ，l m w ，最大输出电流可达0 3 5 m a ，跨导0 3 2 m s ，输出电 阻为1 5 2 k d ，总谐波失真小于2 5 ，3 d b 带宽大于4 k h z 。在测试中，芯片第一级发生 振荡。通过对电路进行分析，找到了振荡原因。对跨导输出电路单独测试，跨导值为 0 2 7 m s ，功耗小于5 m w 。 采用新的结构对电流激励神经信号再生集成电路进行设计，它由与神经电极相接的 阻容耦合网络、前置放大电路、中间放大级和跨导输出级组成。芯片采用华润上华0 5 r t m c m o s 工艺设计，尺寸为0 8 6 m i n x0 8 2 m m 。经在片测试，芯片在2 5 v 工作电压下， 功耗小于1 0 m w ，跨导放大器跨导值为0 4 5 m s ，共模抑制比大于6 0 d b ，3 d b 带宽大于 4 k h z ，与仿真结果较符合。 关键词：神经信号再生，电流激励，运算放大器，跨导放大器 a b s t r a e t a b s t r a c t t h ed a m a g eo fc e n t r a ln e r v o u ss y s t e mi sv e r yp e r v a s i v e ，b u tm e d i c a l l yt h e r ei sl a c ko f e f f e c t i v em e t h o d so fi n j u r y c u i n g w i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n t i nt h ef i e l d so f m i c r o - e l e c t r o n i c sa n dn e u r a l - b i o l o g y , t h ei m p l a n t a b l ec h i pt e c h n o l o g ys t a r t st ob ea p p l i e dt o t h er e s e a r c ha n dt r e a t m e n to fn e u r a li l l n e s s t h en e u r a ls i g n a lr e g e n e r a t i o ni cw i 也c u r r e n t s t i m u l a t i o ni nt h i sp a p e rd i s c o v e r sn e wm e t h o d so fr e b u i l d i n gt h ef u n c t i o no fd e a do r d a m a g e dn e r v eb u n d l e s ，n 圮f o u r - c h a n n e ln e u r a ls i g n a lr e g e n e r a t i o ns y s t e mw h i c hi sr e a l i z e db yd i s c r e t ed e v i c e s h a ss u c c e s s f u l l yr e g e n e r a t e dn e u r a ls i g n a li nt h ea n i m a le x p e r i m e n t s ，o nt h eb a s i so fw h i c h ， t h ed e s i g ni n d e xo fn e u r a ls i g n a lr e g e n e r a t i o ni cw i t hc u r r e n ts t i m u l a t i o ni sd e t e r m i n e d c u r r e n ts t i m u l a t i o nn e u r a ls i g n a lr e g e n e r a t i o ni ci sd e s i g n e di nc s m c0 5 1 x mc m o s t e c h n o l o g y , i ti n c l u d e sn e u r a ls i g n a ld e t e c t i n gc i r c u i ta n dt r a n s e o n d u c t o ro u t p u tc i r c u i t n e u r a ls i g n a ld e t e c t i n gc i r c u i tc o n s i s t so faf i l l m yd i f f e r e n t i a lo p e r a t i o n a la m p l i f i e ra n da n i n s t r u m e n ta m p l i f i e r t r a n s c o n d u c t o ro u t p u tc i r c u i ti sa no p e r a t i o n a lt r a n s c o n d u c t a n c e a m p l i f i e r t h ei co c c u p i e sad i ea r e ao f0 9 3 m m x 0 6 0 r a m t h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ei c a r ep r e s e n t e d ：u n d e r 2 5 vp o w e rs u p p l y , p o w e rc o n s u m p t i o ni s8 1m w , t h em a xo u t p u t c u r r e n ti s0 3 5 m a ，t r a n s c o n d u c t a n c ei s0 3 2 m s ，t h eo u t p u tr e s i s t a n c ei s15 2 k q ，t h di sl e s s t h a n2 5 a n d3 d bb a n d w i d t hi sl a r g e rt h a n4 k h z n ef i r s ts t a g eo f l co s c i l l a t e si nt e s t t h e c a u s eo fo s c i l l a t i n gi sf o u n db ya n a l y z i n gt h ec i r c u i t t h et r a n s c o n d u c t o ro u t p u tc i r c u i ti s t e s t e ds o l e l y , 仃a n s c o n d u c t a n c ei s0 2 7 m s a n dt h ep o w e r c o n s u m p t i o ni sl e s st h a n5 m w n e u r a ls i g n a lr e g e n e r a t i o ni cw i t hc u r r e n ts t i m u l a t i o ni sd e s i g n e di nan e ws t r u c t u r e i t c o n s i s t so fa nr cc o u p l e dn e t w o r kc o r r e c t e dt ot h em i c r o - e l e c t r o d e s f r o n t - e n da m p l i f i e r c i t e u 沁m i d d l ea m p l i f e rs t a g ea n dt r a n s c o n d u c t o ro u t p u ts t a g e t h ei ci sd e s i g n e di nc s m c 0 5 1 x mc m o st e c h n o l o g y ，a n do c c u p i e sad i ea r e ao f0 8 6 m mx0 8 2 r a m t h r o u g ho n - c h i p t e s t , u n d e r 2 5 vp o w e r s u p p l y , p o w e rc o n s u m p t i o ni sl e s st h a nl o m w , t r a n s c o n d u c t a n c eo f t h et r a n s c o n d u c t o ri s0 4 5 m s ，c m r ri sl a l g e rt h a n6 0 d b ，a n d3 d bb a n d w i d t hi sl a r g e rt h a n 4 k h z t h et e s tr e s u l t sa l m o s tm a t c ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d s ：n e u r a ls i g n a lr e g e n e r a t i o n ，c u r r e n ts t i m u l a t i o n ，o p e r a t i o n a la m p l i f i e r , t r a n s c o n d u c t a n c ea m p l i f i e r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 了谢意。 研究生签名： 猃基蛊 日期： 筮! 皇：呈：组 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公 布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 研究生签名：刍金鉴虫导师签名： 日期： 鲨攀1 第1 章绪论 第1 章绪论 神经的损伤与再生是神经科学研究中的一项重要课题，长期以来都是神经科学家感兴趣的领域。 真正意义上的神经再生应当是中断的神经沿着近端和远端理想的通路、通过神经细胞的分裂增殖自 动生长而导致神经的再连通。传统的治疗可以采用手术方法，但是一般只适用于周围神经，由于中 枢神经基本不具备再生的能力，手术方法的效果不理想。国际前沿研究中目前采用干细胞移植、神 经生长因子等方法促进中枢神经的再生与功能恢复，但是仍面临着一些挑战，效果也有待检验。 本论文主要研究的是利用神经信息的电学传递特性，植入具有特定功能的微电子芯片或模块， 对受损、丧失自身信号传导功能的神经用电学方法重现构建一条神经信号上下行双向传输的信道， 即所谓神经信道桥接，从而达到部分恢复神经功能的目的1 1 1 。 1 1 神经生物学基础 神经系统是哺乳动物感受、处理和响应外界刺激的中心机制。神经系统与内分泌系统、免疫系 统相互联系、相互影响、相互作用，共同实现对哺乳动物机体全部生理活动的控制与调节刚。对于 包括人在内的哺乳动物，神经系统都可以分为中枢神经和周围神经。在中枢和周围神经系统中，神 经组织具有各自特异化的结构和特定的功能，但其基本单元都是神经元。 神经元一般包含胞体、轴突、树突、突触等组成部分。神经元群聚在一起可以构成神经元网络。 在网络中，神经元之间由树突、轴突互相连接在一起，通过电传递和化学传递的途径，相邻神经元 之间可以实现神经信号的传递。更进一步地，神经元网络还具有神经信息处理的功能，与此相关的 研究仍在不断探索之中。人体神经系统的奇妙功能正是建立在神经元和神经元网络的基础之上。 1 1 1 神经元的信号传导 图1 1 神经元的超微结构嘲 与其它细胞一样，神经元也是一种细胞( 如图1 1 所示) 。除了普通细胞所具有的一般特征，神 经元所独有的三个部分包括：轴突( a x o n ) 实现细胞内信号传导，树突( d e n d r i t e ) 实现从其它神 经元接收信号，突触( s y n a p s e ) 实现神经元之间的信号传导，是上述三者当中最高度异化的结构。 神经元的传入是通过反射通路的感觉( s e n s o r y ) 部分提供外界的信息；传出是通过运动( m o t o r ) l 东南大学硕士学位论文 部分驱动肌肉对感觉传入产生适当的行为反应。 细胞间信号的传导，即突触性传导，其强度并不是固定的。细胞内信号的传导，即轴突性传导 的强度是固定的，遵循全或无( a l lo r n o n e ) 原则。 以h e n r yd a l e 为首的神经药理学家坚持是由突触传输神经元轴突末端( 突触前细胞， p r e - s y n a p s e ) 释放的化学物质释放的化学物质所介导的，它的作用进而影响后继神经元或肌肉的特 性，( 突触后细胞，p o s t s y n a p s e ) ；以j o h ne c c l e s 为首的电生理学家认为突触传递是以电为介质，由 通过神经元之间直接物理连接的离子移动所造成的【6 1 。 现在看来，上面两种观点都是正确的，化学和电突触同时存在于多数神经系统中。 化学突触的传递是单向的，只能从突触前细胞传递到突触后细胞。而多数电突触为双向的；化 学突触在形态和结构上存在显著的不对称性，而电突触则不存在突触前和突触后的形态学特征，在 不同的时间，每一个细胞都可以成为突触前或者突触后。此外，电突触的传递时间迅速，不存在化 学突触中的延时情况。 在本课题中对于( 神经元) 细胞内信号传导更加关心，这是因为，神经元是神经系统的基本组 成元素，研究单个神经元，包括神经信号的传入和传出，将为研究提供主要的依据。 1 1 2 神经元的电学等效模型 前文已经提到，神经元是一种细胞，对于该细胞的细胞膜，可以看作是一个并联的电阻( r ) 电 容( c ) 网络( 图1 - 2 ) 。这是因为，某些细胞膜对离子的阻碍作用可以看作电阻；另外，脂质双层 可以看作为两个导电溶液之间的提供了一个极薄的绝缘层，这就使得细胞膜变成一个电容器而起作 用。 图l - 2 细胞膜的等效电路嘲 1 1 3 神经元的电刺激分析 由于神经元中存在跨神经元胞浆膜的电压差，在细胞膜两侧电位会不相同，该电位是由膜两侧 通过离子所携带电荷的不均匀分布所引起的阴。定义细胞膜的膜电位， 圪= 啪d 一乙 其中，、分别为细胞内侧和外侧电位。 2 第l 荤缓论 当轴突处于静息状态时，即轴突不传导神经冲动时，膜电位的数值保持不变，该数值被称为 静急电使( r e s t i n gp o t e n t i a l ) ，享牵经元中静患电位豹数馕逶常戈- 4 0 m v 戮- 9 0 m v 之阕。当井器按照 一定方式刺激细胞，并且刺激达到一定强度时，在几毫秒的时间内膜电位有很大的变化，这就称为 动作电位。 通过外加刺激，比如施加一定的电流或者电压信号，将使得膜电位发生改变。当膜电位的负性 小于静惠电位盼受性静时候称为去极纯( d e p o l a r i z e ) ；反之，聋膜电位院静惹电位更负对称势超极 化( h y p e r p o l a r i z e ) 。 按照电极的施加方式，刺激种类可辨包括兰种，单极刺激( m o n o p o l a rs t i m u l a t i o n ) 、双极刺激 ( b i p o l a rs t i m u l a t i o n ) 和场刺激( f i e l ds t i m u l a t i o n ) ( 图1 3 ) 。其中单电极刺激只有一个电极( 通常 是阳极) ，远离轴突，这时候电极的尺寸和位置与轴突本身就相对无关些；双极刺激是一种沈较常见 的刺激方式，两个电极( 分别是阳极和阴极) 与轴突连接比较紧密；场刺激通常应用在神经不能直 接暴露在外面( 通常是在一些维织内部) 的情况，电极都远离神经本身，同时跟电极摆放的位置有 关系，通常情况下，如果没有刺激电流流经轴突，那么刺激的效果将会比较差。 ( a ) 单极刺激 。，。i 。，。，j - i # ( b ) 双极刺激( c ) 场刺激 圈1 3 不同的神经刺激种类阁 下面通过电学方法对双极刺激进行简单分析( 图1 4 ) 。假设通过神经电极的总电流为五则有， j = o + i ( 1 2 ) 其中磊是通过轴突的电流，厶是通过轴突以外的电流。膜电位主要由通过轴突的电流磊决定。 ，； ； 、， “ 圈1 4 毒枣经；| l | 激示意图 l1 4 神经损伤修复难点 对于普通的神经损伤，传统治疗中一般采用手术方法将残断的神经对接在一起，依靠神经自身 的再生功能重新长成完整的神经纤维，弗通过训练逐步恢复其神经信息传递功能，不过这种方法只 3 东南大学硕士学位论文 能针对周围神经。对于哺乳动物而言，周围神经具有一定的再生能力，但中枢神经包括脊髓神经一 旦损伤是极难再生的，因此脊髓神经损伤后的功能恢复和重建的研究一直难以有较大的进展喁 1 1 1 。 近年来，有一些前沿研究表明，通过特殊的方法如采用神经生长因子或干细胞移植，有望在特定条 件下部分地恢复中枢神经的再生功能，不过相关研究也仍处于探索阶段，效果仍有待检验。 1 2 微电子辅助神经信号再生 正是鉴于采用医学生物学手段所面临的困难，东南大学王志功教授、吕晓迎教授和南通大学顾 晓松教授首先提出了神经信号上下行信道有源重建再生设想。构思采用植入动物体内与中断的中枢 神经接口的电子装置，实现神经信号的再生，从而实现中枢神经的有源( 即具有信号放大和处理的) 功能再生【1 1 。 实现神经信号再生的基本思想是【l 】：利用神经微电极由神经束近端，即上神经束检测来自大脑 的运动控制信号，采用植入的微电子器件对信号进行处理后，再通过神经微电极将信号传导至下神 经束，实现神经信号再生。基于上述思想构建出来的神经信号再生系统框图如图1 5 所示。在受损 神经束近端，施加一组微电极检测，将检测到的微弱的神经信号送入神经信号放大器，并将放大到 一定电平的信号送神经信号处理器，进行神经信号的识别和提取。接下去将提取出来的信号送至功 能电激励信号发生器。最后将f e s 信号施加到激励电极上，用来刺激受损神经束远端。 1 3 研究内容 图1 5 神经信号再生微电子植入系统示意图5 】 本论文研究用集成电路实现电流激励神经信号， 电流激励电路产生激励信号，以激励受损神经下端， 容包括： 讨论利用电路检测受损神经上端信号，并利用 从而实现神经信号的再生。论文的相关研究内 ( 1 ) 对神经系统、神经元结构，以及神经电信号产生和传递原理进行理论研究，以分立元件实 现的四通道神经信号再生电子实验仪器在动物实验中获得的数据为基础，确定了电流激励神经信号 再生集成电路的设计指标。 ( 2 ) 采用了0 5 p r oc m o s 工艺设计电流激励神经信号再生集成电路，介绍了芯片中各模块的原 理、设计、仿真和整个芯片的版图设计和测试结果，对测试中出现的问题进行分析，找出问题的原 因。 4 第l 章绪论 ( 3 ) 在第一版电流激励神经信号再生集成电路的基础上，采用新的结构设计了电流激励神经信 号再生集成电路，对芯片进行了测试，并对测试结果进行分析。 1 4 课题来源 论文选题源于国家自然科学基金重大研究计划资助项目( 9 0 3 0 7 0 1 3 ) 植入式中枢神经功能重建 s o c 的设计与实验研究，探索采用微电子技术解决神经信号再生的途径，取得了初步进展。论文 所涉及的研究内容是这一研究课题的组成部分。 5 第2 章集成电路设计基础 第2 章集成电路设计基础 本章首先介绍集成电路的设计流程，然后介绍了在芯片设计中所使用的c s m c0 5 9 i nd p d m 混 合信号c m o s 工艺，最后介绍了多项目晶圆计划。 2 1 集成电路设计流程 1 9 4 7 年世界上出现了第一个晶体管，到了1 9 5 8 年出现了第一块集成电路，之后，整个i c 产业 按照集成度每三年提高4 倍，而加工特征尺寸同步缩小1 4 倍的速度发展。到目前为止，尖端芯片 的设计尺寸已经可以达到4 5 r i m 。i c 产业的迅速发展同时也伴随着不断扩大的设计挑战。不断减小 的设计线宽，不断增长的设计规模，以及更多的导致流片失败的技术风险，构成了对集成电路设计 能力的强力挑战。目前的定制集成电路设计团队需要处理的设计复杂度比几年以前已经增加了几个 数量级。他们必须在这样做的同时应对不断增长的物理效应对封装、功率网格、互连、器件以及衬 底的影响。 集成电路有两种设计路线，即“自底向上”( b o t t o m u p ) 和“自项向下”( t o p - d o w n ) 。“自底向上” 的设计方法主要应用于i c 设计早期或较小规模的电路设计中。设计者自工艺开始，先进行单元设计， 在精心设计好各单元后逐步向上进行功能块、子系统设计直至最终完成整个系统设计。随着i c 技术 的发展，i c 功能模块种类的不断增加和性能的不断完善，i c 设计的重点向更大规模、更复杂性能的 子系统和系统转移。特别是e d a 工具功能的不断强大，电路甚至是系统设计工程师完全有可能从顶 层，即复杂电路和系统出发，“自顶向下”地完成i c 的设计。 在“自顶向下”的设计流程中，设计者首先需要进行行为设计，以确定芯片的功能、性能、拟采 用的工艺以及允许的芯片面积和成本等；其次进行结构设计，根据芯片的特点，将其分解为接口清 晰、相互关系明确的子系统，这些子系统可能包括模拟单元和数字系统。接着是把各子单元转换成 逻辑图或电路图，在转换的过程中设计者应该根据制造厂家提供的工艺参数，选择合适的器件模型 和模拟工具，以确定电路图是否满足设计要求。下一步就是将电路图转换成版图，即版图设计。设 计者必须按照来自制造厂家的几何设计规则进行电路图的版图设计。并且，相对于数字电路的版图 布局布线，模拟电路特别是高速模拟电路的版图设计在整个芯片设计中是非常关键的一步。i c 版图 设计在移交制造厂家前必须进行一系列的版图验证，以保证芯片的成品率。版图数据主要验证过程 如下：首先对版图进行设计规则验证( d r c ：d e s i g nr u l ec h e c k ) d r c 检查无误后，再对版图做电 气规则验证( e r c ：e l e c a i c a lr u l ec h e c k ) ：最后进行电路与版图一致性验证( l v s ：l a y o u tv e r s u s s c h e m a t i c ) 。当集成电路工艺发展到深亚微米水平后，版图中连线的寄生效应对电路性能的影响变得 不容忽视。要根据工艺参数从设计的版图提取寄生电容、电阻值等寄生参数，这就是寄生参数提取 过程( l p e ：l a y o u tp a r a m e t e re x t r a c t i o n ) 。将提取的寄生参数回代到原电路设计中再模拟( 即后仿 真：p o s ts i m u l a t i o n ) ，并适当调整原电路参数以得到满意的模拟结果。根据调整后的电路参数修改 相应版图后，重复d r c 、e r c 、l v s 验证，l p e 及后仿真。一个设计往往需要多次反复这个过程才 能达到满意的结果，该过程【1 2 j 如图2 所示。 7 东南大学硕士学位论文 图2 1 模拟集成电路设计流程 在“自顶向下”的设计流程中，又有全定制和半定制两种设计方法。目前c m o s 模拟集成电路所 采用的设计方法基本上属于全定制方式。这种方法适用于追求最高速度、最低功耗和最省面积的芯 片设计。在全定制设计方法中，当确定了芯片的功能、性能、允许的芯片面积和成本后，设计人员 要对结构、逻辑、电路等各个层次进行精心的设计，对不同方案进行反复比较，特别要对于影响性 能的关键路径做深入的分析。一旦确定以后就进入全定制版图设计阶段。全定制版图设计的特点是 针对每个晶体管进行电路参数和版图优化，以获得最佳的性能( 包括速度和功耗) 以及最小的芯片面 积。由于这种设计方法版图布局和布线都要用人工布置得尽可能紧凑，所以设计过程要花费大量的 人力物力和时间。不仅开始设计时如此，检验和改正设计错误也是非常艰巨的工作。不过，随着硅 工艺技术的发展和设计自动化程度的不断提高，e d a 工具提供了大量的经过精心设计好的标准化单 元，使得全定制设计方法得到越来越广泛的应用。 s 第2 章集成电路设计基础 2 2c s m c 0 5 i j l mc m o s 工艺 在进行芯片设计前，首先要选择集成电路工艺，应该根据需要所达到的指标和较高性价比的原 则，适当地选择能满足设计需求的工艺。与g a a s 、b i c m o s 和e c l 等工艺相比较，由于c m o s 电 路功耗小、集成度高、成本低等特点，大规模数字电路基本都采用c m o s 工艺，c m o s 工艺已经成 为集成电路主流工艺。 2 2 ic s m c 0 5 p mc m o s 工艺概述 本论文中的集成电路均采用无锡c s m c0 5 t t mc m o sd p d m 混合信号c m o s 工艺来实现。本 研究采用的c s m c0 5 i _ a nc m o s 工艺其特征栅长为0 s t t m ，工作电压为5 v 或3 3 v ，提供两层金属 和两层多晶硅【1 3 1 。 m o s 管模型 c m o s 工艺在不同批次的晶片，或者同一批次的不同的晶片之间，m o s 管的参数都会在一定的 范围内变化。c s m c0 5 t i md p d m 混合信号c m o s 工艺【2 q 提供了六种m o s 管：增强型n m o s 、 p m o s ；低v 矗n m o s 、p m o s ；耗尽型n m o s 、p m o s 。这六种m o s 管都有t t ( 典型n m o s ，典 型p m o s ) 、s s ( 慢速n m o s ，慢速p m o s ) 、s f ( 慢速n m o s ，快速p m o s ) 、f f ( 快速n m o s ， 快速p m o s ) 和f s ( 快速n m o s ，慢速p m o s ) 五种工艺角。 二极管模型和三极管模型 工艺提供了两种类型二极管模型，两种三极管模型：p n p 和n p n ，二极管只有一种规格可以选 取：8 0 t m a 5 0 t i m 。p n p 型三极管只能在q v p 5 、q v p l o 和q v p 2 0 中选择，对应的发射极面积分别为5 t t m 5 p m ，l o p m xl o p m ，2 0 t i m 2 0 1 m a , n p n 型三极管只能在q 1 0 b a 和q v n 2 0 b a 中选择，对应的发射 极面积分别为l o p r e xl o p m ，2 0 慢m x 2 0 p r o 。 电阻模型 工艺提供了六种电阻模型：n 阱电阻，n + 掺杂电阻，p + 掺杂电阻，第一层多晶硅电阻，第二层 多晶硅低值电阻，第二层多晶硅高值电阻。 电容模型 工艺提供了一种电容模型：多晶硅一绝缘体一多晶硅( p i p ) 电容，该电容由第一层多晶硅和第二 层多晶硅交叠形成，典型电容值为0 7 f f i t m 2 。 2 2 2c m o s 运算放大器 在电流激励神经信号再生集成电路中，运算放大器是该集成电路的主要组成部分。c m o s 运算 放大器是由m o s 晶体管所构成的，与双极型运算放大器相比，有如下优点【1 4 】： 1 ) 高输入阻抗：由于m o s 晶体管与双极型晶体管相比，具有很高的输入电阻，所以c m o s 运 算放大器会有相当高的输入电阻。 2 ) 输出电压可以达到电源电压：与双极型运算放大器相比，c m o s 器件只需要漏源电压超过过 9 东南大学硕士学位论文 驱动电压，就可以工作在饱和区，而由于目前工艺上的问题，p n p 型晶体管特性较差，很难达到满 摆幅输出。 3 ) 较低的功耗：c m o s 器件与双极型器件相比，可以达到更低的功耗，同时可以通过参数设置， 使m o s 晶体管工作在亚阈值区，实现微功耗运算放大器。 4 ) 高集成度：c m o s 器件与双极型器件相比，有更高的集成度，所以c m o s 运算放大器往往 具有比双极型运算放大器更高的集成度。 但是，c m o s 运算放大器也有其固有的缺点： 1 ) l 纩噪声：由于在m o s 晶体管的栅氧化层和硅衬底的界面处是硅单晶的边界，出现很多“悬 挂”键，产生额外的能态。当电荷载流子运动到这个界面时，有一些被随机地俘获，随后又被这些 能态释放，结果，在漏电流中产生“闪烁”噪声。因此，c m o s 运算放大器的1 f 噪声比双极型器件 所构成的运算放大器的1 f 噪声要大。 2 ) 较难得到低输出电阻：m o s 器件构成源极跟随器后的小信号输出电阻约为1 ，输出电阻 与双极型器件构成的射极跟随器相比，仍然很大。双极型器件由于值很大，所以构成射极跟随器 后，输出电阻比源极跟随器小的多。 3 ) 输入失调电压大：双极型器件构成的运算放大器与m o s 运算放大器相比，可以做到失调电 压更小。 由于c m o s 运算放大器的这些缺点，因此在电流激励神经信号再生集成电路的设计中，要注意 对运算放大器输入噪声和输入失调电压的优化。 2 3 多项目晶圆计划 随着集成电路规模的爆炸式扩展，集成电路产业发生了本质变化。芯片设计单位可以不拥有生 产线而存在和发展，而芯片制造单位致力于工艺实现，这成为集成电路技术发展的一个重要特征。 集成电路这种无生产线设计与代工的f & f ( f a b l e s sa n df o u n d r y ) 模式体现着分工合作的现代大生产趋 势。但是即便如此，代加工的成本仍然很高，一次工程投片量至少6 - 1 2 片，费用高达数万美元。作 为以教学、研究和测试为目的的高校而言，每次投片仅需要几十个样片，不可能冒风险花巨资进行 商业流片。因此，工业发达国家通过组织无生产线i c 设计的芯片计划来促进集成电路的专业发展、 人才培养、技术研究和中小企业产品开发，已经取得了不错的成效。 多项目晶圆( m p w ：m u l t i p r o j e c tw a f e r ) 0 2 最初是集成电路研发机构为降低芯片开发成本而引 入的芯片制造技术。如果只在同一硅片上只试制一种集成电路，这样芯片研发的成本可能非常高。 如果不是一次流片成功，那费用和风险就太高了。m p w 技术是指将多个使用相同工艺的集成电路拼 装到一个宏芯片( m a c r o c h i p ) 上，然后以步进的方式排列到晶圆上。这样可使昂贵的制版和硅片 加工费用由多个芯片分担，从而极大地降低了芯片研制成本。m p w 技术可以极大地降低了产品开发 风险、培养集成电路设计人才的门槛和中小集成电路设计企业在起步时的门槛，迅速壮大集成电路 设计人才队伍。 m p w 技术服务更重要的意义在于在无生产线i c 设计与代工之间建立信息流和物流的多条公共 渠道，将众多的无生产线i c 设计单位和代工单位联系起来，完成他们没有能力或者不值得做的事情， 1 0 第2 章集成电路设计基础 从而专业化、高效地推动集成电路设计与制造的f & f 模式发展。目前比较有代表性的m p w 组织有： 美国的m o s i s ( m o si m p l e m e n t a t i o ns e r v i c e ) 、法国的c m p ( c i r c u i tm u l t ip r o j o c t ) 、台湾的c l c ( c h i p i m p l e m e n t a t i o nc e n t e r ) 等。电流激励神经信号再生集成电路是通过上海集成电路设计研究中心的多项 目晶圆计划，由华润上华微电子公司制造 2 4 本章小结 本章首先介绍了集成电路设计的流程；然后介绍了c s m c0 s p i nc m o s 工艺，及其该工艺下的 电阻、电容及有源器件特性，并将c m o s 运算放大器与双极型运算放大器的特点进行了比较；最后 介绍了m p w 计划。通过本章的分析，为利用c s m c0 s p i nc m o s 工艺设计电流激励神经信号再生 集成电路打下了基础。 第3 章电流激励神经信号再生集成电路设计 第3 章电流激励神经信号再生集成电路设计 本章首先介绍了电流激励神经信号再生集成电路的设计要求和指标，然后介绍了芯片系统结构， 各个模块的原理，各个模块结构的选取、设计和仿真，最后介绍了版图设计、芯片的测试和对测试 结果的分析。 3 1 芯片设计指标 植入式芯片的应用环境复杂，对电路和芯片设计提出挑战。在神经信号探测芯片的设计中，有 以下一些难点：要求芯片面积小，低供电电压低功耗，所需的外部调控元件尽可能少，适合植入人 体。神经电极耦合的神经动作电位可能会低至v 级，频率在4 k h z 之内。由于存在生物背景噪声、 神经电极热噪声和放大器的l f 噪声，神经信号的输入信噪比约为6 0 d b 。由于肌电信号( e m g ) 等 因素，干扰信号相对很强。同时在电极和神经组织接触面产生的直流偏移电压较大【洛瑚。 为了探索中枢神经功能恢复系统的有效性，同时也为了给电流激励神经信号集成电路设计提供 性能指标参考，本课题组采用分立器件研制了四通道神经信号再生电子实验仪器。它已多次成功应 用于动物实验的神经信号再生，通过该仪器的一系列动物实验所测得的数据确定了电流激励神经信 号再生集成电路的设计指标。 电流输出范围 在四通道神经信号再生实验仪器实验中，一般ll o p a 1 9 】左右的电流已经足够激励神经产生动作 电位，因此电路的电流输出范围要大于l l o t t a 。 探测级电路增益 细胞外探测到的神经信号的幅度一般为几十v 到几百“v ，有时候能达到几个m v ，神经信号 探测电路的输出要伏特级，所以探测级增益必须可调，范围在几百到几千倍之间。 输出电阻 对于跨导放大器，它的电流输出可看作电流源。理想的电流源中内阻为无穷大，即输出电阻趋 于无穷，而在实际设计中无法做到输出电阻无穷大，作为负载的神经网络等效电阻约为1 k q 1 0 k q 【1 9 1 ， 故电路的输出阻抗应远大于负载阻抗，至少为l o o l q 。 电路噪声 噪声限制了一个电路能够正确处理的最小信号电平。在神经信号探测电路中，所处理的往往都 是比较微弱的信号，因此噪声是设计中需要考虑的重要问题之一。由于神经信号的频率较低，因此 神经信号再生电路的设计必须特别注意对闪烁噪声的优化。 电路带宽 电路的带宽应设计为能覆盖神经信号的频带4 0 0 i - i z 4 k h z t z o - - 2 2 ，以保证信号不发生失真。 共模抑制比 电极与神经接口有高达1 - 2 v 的偏移电压，体内存在强干扰的肌电信号及生物背景噪声，这些信 号基本以共模干扰的形式存在，所以电路共模抑制能力对电路的性能影响很大，由于共模抑制比会 随着频率的升高而下降，所以在我们关心的频带内，要保持足够的共模抑制比，至少为8 0 d b 以上。 1 3 东南大学硕士学位论文 功耗 由于电流激励神经信号再生芯片的最终目标是要能够植入体内，因此电流激励神经信号再生芯 片的功耗应该尽可能的低。 综合上面的这些数据，电流激励神经信号再生芯片的设计指标如表3 一l 所示： 表3 1 电流输出神经信号再生集成电路设计指标 3 2 系统结构的选择 设计指标 具体要求 电流输出范围 1 1 0 昨 探测级电路增益1 0 0 - - 一1 0 0 0 0 输出电阻 1 0 0 k q 电路噪声优化闪烁噪声 电路带宽 4 0 0 h z 4 k h z 共模抑制比 8 0 d b 电流激励神经信号再生集成电路的结构【2 3 】如图3 - 1 所示。该电路由三级组成，可分为神经信号 探测电路和跨导输出电路两个部分。 3 2 1 神经信号探测电路 图3 1 电流激励神经信号再生集成电路系统结构 神经信号探测电路由全差分运算放大器和三运放仪表放大器组成，全差分运算放大器通过与神 经相连接的电极采集上端神经信号，被全差分运算放大器放大后的神经信号被送到仪表放大器进一 步放大。 由于神经电极耦合的神经动作电位存在生物背景噪声、神经电极热噪声和放大器的l f 噪声，同 时在电极和神经组织接触面产生的直流偏移电压较大。而全差分运算放大器与普通的单端输出运算 放大器相比具有更大的输出电压摆幅；能更好抑制共模噪声；较好地抑制谐波失真的偶数阶项等优 1 4 第3 章电流激励神经信号再生集成电路设计 点。因此电流激励神经信号再生集成电路第一级采用全差分运算放大器来检测上端神经信号。第一 级的放大倍数为- r 啦r , l 。 由全差分运算放大器放大后的信号被送到后一级的仪表放大器，由仪表放大器进一步将信号放 大。三个相同的运算放大器a 2 组成仪表放大器，由仪表放大器将全差分运算放大器的输出信号进一 步放大。仪表放大器的结构如图3 - 2 所示，运算放大器a 1 ，a 2 组成对称的同相放大器构成第一级， 运算放大器a 3 组成差值放大器构成第二级。根据电流关系，可以得到 v o l - v 0 2 ：v i n im v i n 2 ( 3 1 ) 墨+ 2 r t也 第一级放大器增益为 钾丽v o lm v 0 2 = 半小等 第二级放大器的增益为 如= 瓦忑v o = 一罢 整个电路的增益为 4 舒一舡百2 r , ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 图3 - 2 三运放仪表放大器 三运放仪表放大器的增益取决于各电阻阻值，只要调节各电阻阻值，就可以调节放大倍数。如 所期望的，三运放仪表放大器的共模增益的理论值为0 。但是在放大器的电阻网络中，由于电阻存 在误差，实际电阻值不可能完全等于标称值，即存在失配，而电阻的任何失配都会使共模电压的一 部分出现在输出端，因此仪表放大器的共模增益为一有限值。 1 5 东南大学硕士学位论文 3 2 2 跨导输出电路 跨导输出电路由单个跨导放大器来实现，由该跨导放大器将经过前面两级放大后的电压信号线 性的转化为电流信号。该电流信号被用来激励受损神经的下端神经元，实现了神经信号的传递，从 而实现神经再生功能。 3 3 芯片中各模块的设计 3 3 1 运算放大器 运算放大器是模拟电路设计中用途最广、最重要的单元，它是电流激励神经信号再生集成电路 的重要组成部分。判断运算放大器的性能有一些重要的指标参数，包括开环增益、输入阻抗、输出 阻抗、开环带宽、输出摆幅、转换速率、噪声、功耗等。理想的运算放大器应该具有高电压增益、 高输入阻抗、尽可能低的输出阻抗、快速的建立过程、高输出摆幅等。根据运算放大器输入输出阻 抗的不同，运算放大器有“电压型”、t t 电流型”、c 。跨阻型，和。跨导型四种类型【2 4 ，2 5 】。 运算放大器的非理想特性 运算放大器是非理想特性犯5 】如图3 3 所示。有限的差模输入阻抗等效为是d 和c k ；输出电阻等 效为届咀；共模输入电阻等效为r 。，接在每个输入和地之间；是输入失调电压，k 是输入失调 电流。共模抑制比( c m r r ：c o m m o n - m o d er e j e c t i o nr a t i o ) 用电压控制电压源v 1 c m r r 表示。运算 放大器的噪声用两个源岛2 和f 等效。这些是均方电压和电流噪声源，单位分别是均方伏特和均方 安培。 图3 3 非理想运算放大器模型 运放开环增益a v 是指在开环状态以及标称电源电压和额定的负载电阻下，对输入差模信号的电 压放大倍数。高频时，a v 与频率有关。由于运放一般被用来实现一个反馈系统，而该系统的静态增 益误差由运放的增益和反馈系数的乘积倒数决定，因此运放的开环增益大小由闭环电路的精度要求 决定。运算放大器典型差模频率响应可以表示为： 4 ( s ) = 1 6 ( 3 5 ) 第3 章电流激励神经信号再生集成电路设计 式中，p i ， 2 ，是运算放大器开环传递函数的极点，彳v o 或彳“0 ) 是频率接近0 时运算放大器 的增益。对每个极点历，对应的转折点频率翻i = - p i 。但这里忽略了运算放大器的零点。 图3 - 4 显示了典型的彳斛的幅频响应。一般地，幼远比所有其他的转折频率低得多，因此鳓 在频率响应中起主要作用。这是一个- 2 0 d b ，每十倍频程频率点，从主极点延伸与0 d b 轴相交的点被 称为单位增益带宽g b w 。 图3 - 4 幅频响应特性曲线 运放输入阻抗为由运放两输入端向运放方向视入的交流电阻。运放输入阻抗受制于输入级的结 构和工艺的不同而不同。输入