微电子肌电桥关键电路的研究和设计
本文关键词:微电子肌电桥关键电路的研究和设计 出处:《东南大学》2015年硕士论文 论文类型:学位论文
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【摘要】:对于瘫痪病人的治疗和康复一直以来都是医学界的难题,现有的医学治疗方法治疗效率低,治疗成本偏高,且康复效果因人而异。另一方面随着信息技术的高速发展,信息学与生物学产生了学科交叉,利用微电子的方法为受损的神经建立辅助信号通路成为了一种可能。理论上,通过上述方法可以实现受损神经的功能再生,从而为治疗瘫痪提供了一条新的途径。本文首先对微电子肌电信号桥接电路的相关理论做研究分析。对比课题组之前实验结果,提出了用同心圆电极作为激励电极的重建方法,并在此基础上确定了电路结构以及设计指标。采用CSMC0.5μm CMOS工艺设计了微电子肌电桥关键电路,芯片电路由肌电信号探测电路、直流偏移补偿电路、带通滤波电路和信号放大电路四个部分组成。并根据指标需要设计了两种专门的运算放大器:折叠式共源共栅的两级运算放大器和恒定跨导满摆幅输入输出的两级运算放大器。后仿真结果显示,折叠式共源共栅两级运算放大器具有104.6dB的高开环增益,86.4。的高相位裕度,7.9MHz的带宽,以及7.75×10-16 V2/Hz@1kHz低输入噪声。恒定跨导满摆幅输入输出两级运算放大器输入具有接近电源电压的输入输出电平以及4.9%的低跨导误差,满足系统电路对运算放大器的专门需求。芯片内滤波器通过调节外接电容容抗的方式来调节截止频率,芯片面积1150μm×950gm,工作在±2.5V的电源电压下,功耗为4.57mW,外接33nF电容时,系统工作频段为95.98Hz-6.26kHz。在该工作频段内能正常放大信号。上述结构电路的下截止频率是95.98Hz,而肌电信号在95.98Hz的频率以下也存在。针对它们频段不吻合的情况,对上述电路进行了改进。引入开关电容有源滤波器的电路结构。优化后的电路不但降低了电路系统的下截止频率,并且由于只需要调节输入采样信号的频率就可以调节电路的工作频率,引入的片外干扰更小,片内集成度更高,更加符合生物实验和临床要求。系统电路工作在±2.5V电源电压下,芯片面积1150μm×1000μm,工作频率为1.15Hz-2.65kHz,与肌电信号频段相符,直流功耗5.33mW,实现了肌电信号桥接并放大的功能。
[Abstract]:The treatment and rehabilitation of paralyzed patients has always been a difficult problem in the medical field. The existing medical treatment methods have low efficiency and high treatment cost. On the other hand, with the rapid development of information technology, informatics and biology have interdiscipline. It is possible to establish an auxiliary signal pathway for the injured nerve by using microelectronic method. Theoretically, the injured nerve can be regenerated by the above methods. This provides a new way for the treatment of paralysis. Firstly, this paper studies and analyzes the theory of the bridge circuit of microelectronic EMG signal, and compares the experimental results before the research group. A reconstruction method using concentric circular electrode as excitation electrode is proposed. On this basis, the circuit structure and design index are determined. The key circuit of microelectronic myoelectric bridge is designed by CSMC0.5 渭 m CMOS technology, and the chip circuit is detected by EMG signal. DC offset compensation circuit. Four parts are composed of band-pass filter circuit and signal amplifying circuit. Two special operational amplifiers are designed according to the requirements of the index. The two-stage operational amplifier of the foldable common-gate and the two-stage operational amplifier with constant transconductance full swing input and output. The post-simulation results show. The foldable common-grid two-stage operational amplifier has a high open-loop gain of 104.6dB and a high phase margin of 7.9MHz. And 7.75 脳 10-16. V2 / Hz@ 1kHz low input noise. Constant transconductance full swing input and output two stage operational amplifier input and output level close to the supply voltage and low transconductance error of 4.9%. The on-chip filter adjusts the cutoff frequency by adjusting the capacitive reactance of the external capacitor. The chip area is 1150 渭 m 脳 950gm. When the power consumption is 4.57mW and the external capacitor is 33nF, the power consumption is 4.57mW at 卤2.5V power supply voltage. The operating frequency range of the system is 95.98Hz-6.26kHz. The signal can be amplified normally in the working band. The lower cut-off frequency of the circuit is 95.98Hz. EMG signals also exist at the frequency of 95.98 Hz. The circuit structure of switched capacitor active filter is introduced. The optimized circuit not only reduces the lower cutoff frequency of the circuit system. Since only the frequency of the input sampling signal can be adjusted, the out-of-chip interference is smaller and the in-chip integration is higher. The system circuit works at 卤2.5V power supply voltage, the chip area is 1150 渭 m 脳 1000 渭 m, and the working frequency is 1.15Hz-2.65kHz. In accordance with the frequency band of EMG signal, the DC power consumption is 5.33mW. the bridge and amplification function of EMG signal is realized.
【学位授予单位】:东南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:R496;TN402
【参考文献】
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,本文编号:1377460
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