一种0.18μm CMOS工艺的低功耗神经信号测量电路*

肖海慧

(常州纺织服装职业技术学院，江苏常州213164)

一种0.18μm CMOS工艺的低功耗神经信号测量电路*

肖海慧*

(常州纺织服装职业技术学院，江苏常州213164)

针对神经信号测量系统的功耗和增益问题，提出一种低功耗16通道神经信号测量以及刺激系统。该系统电路的放大级由16个前置放大器、1个多路转换器以及2个宽频后置放大器组成。系统包含1个逻辑控制单元，用于从缓冲器中获取实测结果，同时也可以控制电路的偏置电流、高通转折频率、后置放大器增益以及刺激电流强度。可将所有通道配置为输出，利用双极电流脉冲刺激神经元。提出的系统电路是采用低成本0.18μm IC工艺制成。实际测试结果显示，相比其他类似结构电路，提出电路的功率消耗最低，仅为1.31 mW到1.48 mW，增益最高可达76.2 dB，数据传输速率可达3.5 Mbit/s。

神经信号测量;后置放大器;低功耗;MCU

神经信号测量系统最主要的功能是与脑组织细胞外间隙内的微电极相连接，记录单个神经元发出的细胞外电压信号［1］。细胞外动作电位(AP)信号的典型振幅范围为几十微伏到数百微伏，其频率范围低于10 kHz［2-3］。LFP信号幅度约为几毫伏，相关频率含量通常低于300 Hz。神经信号测量系统通常会使用电容性反馈运算放大器作为神经记录电路的前置放大器，该放大器必须具有高通滤波功能，才有可能细胞外的AP信号，并抑制局部场电位(LFP)大振幅波动，否则，波动会使放大器饱和。

通过实验观测发现，脑组织中微电极的噪声级通常约为10μVrms［4-5］。因此，将噪声保持在较小级别，以避免显著增加总噪声是设计研发系统的一个基本准则。较高的增益有助于缓和由细胞外微电极电容性造成的衰减，此微电级与输入电容串联。

最近在不少文献中提出了多种用于研发此类测量神经信号系统的方法［6-7］，其中一些方法也具有刺激能力，但是某些方法的接口电路有限，如文献［7］提出的电路只有8个通道。文献［8-9］中的接口电路通道较多，但是功耗较大。

因此，提出了一种采用0.18μm CMOS工艺研发出的完整神经信号测量系统，包括测量、刺激、A/D转换、数据缓冲以及总线接口，能够使用简易微处理器(MCU)完成数据采集。提出的系统可用于测量细胞外的动作电位(AP)信号以及局部场电位(LFP)，并且可利用双极电流脉冲局部刺激目标神经元。实际测试结果显示，相比其他类似测量电路，提出电路的功率消耗最低，增益数值较高，十分适用于神经信号测量和刺激。

1 前置放大器设计

在前置放大器的设计中使用了2级米勒补偿运算放大器，如图1(a)所示。反馈电容为100 fF，并且输入电容为10 pF，所以，电压增益为100。由于电路反馈较弱，可轻易获得稳定性，并且放大器设计无需考虑增益稳定性问题，因此我们无需使用调零电阻进行零点补偿。此外没，调零电阻通常是由在三极管区运行的PMOS晶体管制成［10-11］。省去电阻能够提高电源抑制比以及大信号的稳态响应，原因在于电阻值会随着输出电压的变化而变化。

图1 前置放大器

如果将放大器的输入用于驱动励磁电流至神经元，大信号的响应则十分重要。基于相同的原因，将前置放大器的带宽定为近似20 kHz，以获得较高的转换速率。

第2个增益级(M8)的跨导通常较大，可提高稳定性。由于在我们的设计中稳定性不是关键，我们可减少第2级的偏置电流，并且获得较小的输出—输入级偏置电流比。在此设计中，比率为1∶1，并且对输入级和输出级加2μA偏流。大输入级偏置电流能够提升抗噪声性能，单个前置放大器的功耗约为14μW。

前置放大器的伪电阻直流(DC)反馈元件由两个串联的PMOS设备组成，如图1(b)所示。电阻控制变化十分急剧，因此，选择了加局部电流的电流模式，用一个二极管连接的PMOS M12进行电压转换。相较于电压信号，电源信号具有较好的抗噪声能力，并且更加匹配。

利用6 bit数模转换器(DAC)调节电阻控制电流，其中一个bit充当电流升压放大器。通过这种方式，在低频(0.5 Hz～20 Hz)以及高频(100 Hz～900 Hz)条件下均可利用5 bits调整高通滤波器的转折频率。将高通转折频率默认设置为300 Hz。图2是偏置电流调谐电路。DAC是由二进制加权配置中的PMOS电流源以及开关组成。

图2 高通转折调谐电路的原理图

2 后置放大器设计

16∶1模拟多路转换器(mux)由4输入NAND门、逆变器以及CMOS传输门组成。mux会每3μs选取新的输入，这样，每个通道的总取样周期为48μs。通过将mux的负载电容尽量保持在较小水平，并且将后置放大器的带宽保持在较高水平，会使内存减到最小。

第2个以及第3个放大器(后置放大器)使用了电阻式反馈，并提供了在1～50范围内的可编程非反相增益。第2个放大器(如图3所示)具有4个增益设定开关(×10、×5、×2以及×1)，而第3个放大器有3个增益设定开关(×5、×2以及×1)。后置放大器是米勒补偿放大器，但具有额外的超前补偿，可提升在单位增益反馈情况下的稳定性。分割两级中的后置复用增益能够节省功耗:第2个放大级中较高的最大增益为10，第3个放大级较低的最大增益为5。

后置放大器为DC耦合放大器，由电阻设定增益。第3极所需的稳定时间为3μs，与取样周期相同。后置放大器的主要设计目的是稳定性能以及功率损耗。

为节省功耗，偏置点调谐分压器由1 MΩ的大电阻组成。使用大偏压电阻可以对偏置元件的噪声带宽进行限制。由于vmid2与反馈电阻器有关，因此配置缓冲器以减少电源阻抗，所以，第2个以及第3个放大器未受影响。根据模拟实验可知，第2个放大器的最大增益设定值为85μW，第3个放大器的最大增益设定值为162μW;两个放大器的相位裕度均为＞65°。

图3 后置放大器

3 A/D转换器设计

可利用3个5 bit DAC调节所有放大器的偏置电流(16个前置放大器具有共同的偏置调节)，并通过SPI总线对配置信息进行编程。偏置电流设定DAC与图3中的电路十分相似。当使用了较低增益设定值时，减少后置放大器偏置电流对提升自身的稳定性十分有用。

提出系统电路有一个10 bit逐次逼近寄存器(SAR)A/D转换器。A/D转换器的第1个元件是双重取样保持电路，能够延长取样时间，并能够为最后一个运算放大器延长其稳定的时间。转换器也包括一个输入锁存比较器以及一个电容式电荷比例缩放DAC。图4是A/D转换器的方框图。

图4 A/D转换器的方框图

3.1 取样保持电路设计

取样保持电路是一种带有两个1.6 pF取样电容器的双重取样结构，如图5所示。相较于具有单一取样器的结构，取样电容的大小增加了一倍，但是取样时间从1个时钟周期(250 ns)延长至12个时钟周期(3μs)。因此，大大减小了第3个运算放大器的稳定要求。

图5 双重取样保持电路

3.2 比较器设计

转换器包含一个输入锁定动态比较器，如图6所示。比较器包含自适应功率控制(APC)，评估了锁存器之后就会关闭第1级，所以，实际上比较器并无静态功率。

图6 带有自适应功率控制的锁定动态比较器

仅仅时钟的上升沿需要APC脉冲。XOR门以及NOR门用于抑制时钟下降沿的脉冲。然后，颠倒并延长时钟信号，以确保在评估锁存器之前开启比较器的第1级。

3.3 DAC电路设计

A/D转换器有一个10 bit分相电容DAC，由两个5 bit电容组，如图7所示。单位电容器大小为100 fF，所以，DAC总电容为6.3 pF。虽然利用单位大小的电容器会产生较小的增益误差，但是可以提升布局的对称性。将q0～q9逻辑驱动器放置在电容器旁边，可帮助DAC隔离数字噪声的干扰。

图7 本设计中使用的分相电容DAC

从16个通道获得的10 bit转换结果被存储在两个20×8 bit的寄存器组中，总数据速率为21×8bit× (1/48μs)=3.5 Mbit/s。

4 刺激电路设计

每个输出同样也可用于进行电刺激。图8是刺激电路。通过将信号A设定高电平，每个放大器前面的开关可选取刺激的通道。所有通道配置了共同的刺激电流强度，但是可为测量或者刺激对单个通道进行配置。当A较低时，会抑制刺激、激励正在接受测量的通道。

图8 刺激电路

刺激电路将双极电流脉冲注入目标中。由两个5 bit DAC以及两个×10和×100开关控制电流强度，可通过SPI总线配置DAC以及开关。由两个外部信号即v_up和v_down控制刺激定时，同时，外部信号可由MCU GPIO信号或者信号发生器进行控制。

根据电容值，可注入多达±160μA的短脉冲，并且最小电流为±50 nA。根据式(1)可知，可通过微电极的电容值C、刺激时间t、电流强度I以及电源电压(3 V)限制电流注入，其中ΔV表示探极电压的变更。因此，调整电流输入时，电荷必须以相同的个数向两个方向移动，这是至关重要的。

IC同样也包含一个vmid开关，此开关可返回第1个运算放大器的输入。

5 整体结构设计

图9 系统的结构方框图

图9是提出系统的结构方框图。芯片包括16个多路转换前置放大器通道、2个后置放大器、A/D转换以及1个用于输出数据的双向SPI接口。芯片为数字可编程型:可通过SPI接口对芯片增益、高通转折频率、各种偏移值以及刺激电流值进行调整。重要的是，多个提出的系统电路可通过相同SPI总线连接，进行大规模记录。

6 测试结果

6.1 测量设置

利用信号发生器(Keysight 33220A)进行测量。采用Keithley 2000万用表测量功耗。图10是测量设置的方框图。发生器的最小信号电平为20 mVpk-pk，对于电路来说该数值过大。因此，在IC之前就插入节衰减块，可将最小信号电平降至约为28 μVpk-pk。发生器的最小信号电平为28μVpk-pk。200 pF表面贴装电容器替代电容式微电极，产生了约为5%的额外衰减。

图10 测量设置的方框图

在刺激测试中，移走200 pF系列电容器，并将其焊接在输入节点与接地线之间。将矩形电流脉冲注入图9中刺激电路的电容器中，并利用示波器(Keysight DSO6052A)进行测量，FET—输入运算放大器(LF411)被用作缓冲器。

通过USB以及SPI总线发送配置字节数组，可初始化数据传输，并对IC上的配置寄存器设定数值。然后，MCU会启动中断程序，并以3.5 Mbit/s的平均数据速率向PC传输数据。

MCU以64 MHz的速度运转，SPI总线以12 MHz的速度运转。MCU同样也会向IC提供一个4 MHz的慢速时钟。根据逻辑分析器的测量结果可知，MCU有足够的时间进行所有要求的操作，并能够在无损失的情况下可靠地将数据传输至计算机。

6.2 结果分析

电路是采用0.18μm CMOS工艺制成。图11是设计布局的显微照片。前置放大器位于U字形芯片的左半边，后置放大器、多路复用以及刺激位于中间，A/D转换器位于底部中心，以及逻辑位于右上角。布局的尺寸为1.78 mm×1.68 mm。图12是测试板。

图11 芯片布局的照片

图12 测试板

利用最小增益以及最大增益测量功耗。计算结果并未考虑到MCU功耗，原因在于MCU是由USB总线驱动。在最大增益条件下，包括3个调节器在内的整个测试板的总功耗为1.9 mW。表1是设计电路的性能指标。噪声效率因数(NEF)按照式(2)计算得出，适合于前置放大器，但是输入相关噪声［Vni(rms)］适合于整个系统，包括量化噪声。

式中，Itot是指前置放大器的总电源电流，UT是指p-n结热电压，BW是指用赫兹表示的放大器带宽。

表1 提出测量电路性能对比

利用500μVpk-pk输入正弦波以及数值为1 000的增益进行测量，获得的转折频率响应如图13所示。通过利用Matlab绘制数字数值的振幅频谱，可确定输出的信号幅度。

图13 选定高通转折调谐值的实测频率响应

图14是带有最低电平(约26μVpk-pk)以及5 000增益设定值的2 kHz输入的实测频谱。图15是信号电平约为500μVpk-pk并且使用了1 000增益的情况。由于伪电阻具有非线性，此处第2个谐波上升至36 dBc。将高通转折频率设置为200 Hz。如果将拐角设置为低于10 Hz，谐波会降至58 dBc，原因在于流过伪电阻的电流较少。利用MCU调整双极刺激电流脉冲的速度，脉冲持续时间为1.8 ms。根据方程1可计算出电压，注入的电流约为±200 nA。通过表1和图14、图15，可以看出相比其他类似结构电路，提出电路的功率消耗较低，具有最大的增益值。文献［7］虽然功耗更低，但是接口数量较少，只有8通道且增益只有2个固定值。

图14 26μVpk－pk输入信号的频谱(增益为5 000)

图15 500μVpk－pk输入信号的频谱(增益为1 000)

7 结论

本文提出了一种低功耗神经信号测量以及刺激系统。提出设计中的集成缓冲逻辑能够使其直接与低成本、低功耗微处理器连接，微处理器同样能够处理通过USB总线传输至计算机的数据。实际测试结果显示，相比其他类似结构电路，提出电路的功率消耗最低，电源电压为3 V时，功耗仅为1.31mW到1.48 mW，增益最高可达76.2 dB，数据传输速率可达3.5 Mbit/s。在使用420 mAh纽扣式电池供电时，提出的设计能够持续运行大约一个月，十分适合便携式神经信号测量应用。

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肖海慧(1974-)，女，汉族，陕西汉中人，研究生，副教授，研究方向为自动控制、软件开发技术，haihuixiao@163.com。

Low Power Nerve Signal M easuring Circuit w ith 0.18μm CMOS Technology*

XIAO Haihui*

(Changzhou Textile Garment Institute，Changzhou Jiangsu 213164，China)

According to the power and the gain of the neural signalmeasurement system，a new 16 channel neural signalmeasurement and stimulation system with adjustable gain is proposed.The amplifier stage of the system is composed of 16 pre amplifiers，one Multiplexer and two broadband post amplifier.The system consists of one logic control units，which are used to obtain themeasured results from the buffer，and can control the bias current of the circuit，the high pass frequency，the gain of the amplifier and the exciting current intensity.All channels can be configured as output，using bipolar current pulse to stimulate the neuron.The system circuit ismade of low cost0.18 μm IC technology.The actual test results show that，compared to other similar structure circuit，the power consumption of the circuit is the lowest，only 1.31 mW to 1.48 mW，adjustable gain maximum up to 76.2 dB，and the data transmission rate up to 3.5 Mbit/s.

neural signalmeasurement;post amplifier;low power consumption;microcontroller unit

C:1295

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.009

TN432

:A

:1005－9490(2017)01－0043－06

项目来源:江苏省教育教学改革2015年度课题研究成果项目(2015JSJG293)

2016-01-27修改日期:2016-02-26