微型化脑电信号放大器及脑机接口芯片系统的制作方法

本技术涉及集成电路设计，尤其涉及一种微型化脑电信号放大器及脑机接口芯片系统。

背景技术：

1、大脑是人体最复杂的器官，时至今日，人们还没有充分地认识大脑，还存在很多问题需要探索答案。脑科学将在未来很长的一段时间里是生命科学中的一个前沿和重要发展领域。而脑机接口是脑科学研究中极具科幻色彩和热门的前沿技术之一。

2、脑机接口是不依赖于大脑的正常输出通路（即外围神经和肌肉组织），就可以实现脑与外界（计算机或其他外部装置）直接通信的系统。脑机接口的基本原理是利用无创的脑电（eeg）、功能磁共振（fmri）、功能近红外（fnirs）、脑磁（meg）或有创的皮层脑电（ecog）、微电极阵列（mea）等脑信号获取技术，采集并解码大脑活动信号，然后转换成相应的指令控制外部设备。

3、而脑电信号通常十分微弱，幅值一般较低，通常为毫伏级，且频率较低，因此，所采集到的脑电信号需经过放大、滤波、数字化后方可传递至后端进行数字信号处理。目前，脑电信号通常使用湿性、凝胶和干性电极进行信号采集。湿性电极在使用过程中需要通过加入导电胶以及搅拌的手法保证电极阻抗处于较低水平，但过程繁琐且会对受试者头皮带来可能的伤害。凝胶电极可避免对受试者造成的伤害问题，但其本身阻抗相对较大，信息传输过程中会存在明显的信号衰减；且因为凝胶的性质，受试者在运动的过程中，电极会存在相对运动，出现一些用于运动带来的问题。而在可穿戴脑电采集系统中通常使用干性电极，这种电极由于不需要打胶，使用方式简便，非常适合于普通日常穿戴与电生理监测。但干性电极的阻抗较大（通常为mω（兆欧）级别），信号传输至放大器端时，信号衰减会相当明显，因此，使用干性电极对放大器端的输入电阻有很高的要求。

4、针对干性电极阻抗过大造成信号衰减的问题，目前通常用基于反馈电容放大器实现脑电信号采集。该放大器通过阻抗提升回路让电流反馈来抑制放大器输入电流，从而提高阻抗。具体放大器设计时候，需要尽可能减小放大器的输入电容cinput并将阻抗提升回路的阻抗提升电容cibl与反馈电容cfb相匹配。但电容的缩小受制于cmos工艺确定的最小值限制（例如在0.18工艺中，最小的mim（metal-insulator-metal，金属-绝缘体-金属）电容为35.6ff），同时电容无法进一步缩小也将占用更大的芯片面积，这对脑机接口的微型化造成了巨大挑战。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种微型化脑电信号放大器及脑机接口芯片系统，能够减小输入电容，进而减小芯片面积。

2、本技术的一个方面提供一种微型化脑电信号放大器。所述微型化脑电信号放大器包括斩波调制单元、输入电容、固定增益放大单元、斩波解调制单元及反馈电容，所述固定增益放大单元具有正向输入端、负向输入端、正向输出端和负向输出端，所述输入电容包括分别连接所述固定增益放大单元的正向输入端和负向输入端的第一输入电容和第二输入电容，其中，所述斩波调制单元通过所述第一输入电容和所述第二输入电容分别连接至所述固定增益放大单元的正向输入端和负向输入端，所述斩波调制单元用于将脑电信号进行斩波调制，以输出斩波调制后的脑电信号；所述固定增益放大单元用于将斩波调制后的脑电信号进行放大处理，其包括第一晶体管对和第二晶体管对，所述第一晶体管对的栅极和漏极分别连接所述固定增益放大单元的正向输入端和负向输出端，所述第二晶体管对的栅极和漏极分别连接所述固定增益放大单元的负向输入端和正向输出端，其中，所述反馈电容包括第一反馈电容和第二反馈电容，所述第一晶体管对的栅极和漏极之间的寄生电容形成所述第一反馈电容，所述第二晶体管对的栅极和漏极之间的寄生电容形成所述第二反馈电容；及所述斩波解调制单元连接至所述固定增益放大单元的正向输出端和负向输出端，用于将放大后的脑电信号解调至原始信号频段得到原始的脑电信号。

3、进一步地，所述第一晶体管对包括第一pmos管和第一nmos管，其中，所述第一pmos管的栅极和所诉第一nmos管的栅极分别连接至所述固定增益放大单元的正向输入端，所述第一pmos管的漏极与所述第一nmos管的漏极分别连接至所述固定增益放大单元的负向输出端；所述第二晶体管对包括第二pmos管和第二nmos管，其中，所述第二pmos管的栅极和所述第二nmos管的栅极分别连接至所述固定增益放大单元的负向输入端，所述第二pmos管的漏极与所述第二nmos管的漏极分别连接至所述固定增益放大单元的正向输出端，所述第一pmos管的源极和所述第二pmos管的源极连接在一起并用于连接至电源端，所述第一nmos管的源极和所述第二nmos管的源极连接在一起并用于连接至接地端。

4、进一步地，所述固定增益放大单元还包括第三pmos管、第四pmos管、第三nmos管和第四nmos管，其中，所述第一pmos管的源极和所述第二pmos管的源极分别通过所述第三pmos管和所述第四pmos管连接至所述电源端，其中，所述第一pmos管的源极和所述第二pmos管的源极分别连接所述第三pmos管的漏极和所述第四pmos管的漏极，所述第三pmos管的源极和所述第四pmos管的源极均连接至所述电源端；所述第一nmos管的源极和所述第二nmos管的源极分别通过所述第三nmos管和所述第四nmos管连接至所述接地端，其中，所述第一nmos管的源极和所述第二nmos管的源极分别所述第三nmos管的漏极和所述第四nmos管的漏极，所述第三nmos管的源极和所述第四nmos管的源极连接至所述接地端；所述第三pmos管的栅极和所述第三nmos管的栅极分别连接至所述固定增益放大单元的负向输出端，所述第四pmos管的栅极和所述第四nmos管的栅极分别连接至所述固定增益放大单元的正向输出端。

5、进一步地，所述第一反馈电容等于所述第一pmos管的栅极和漏极之间的寄生电容与所述第一nmos管的栅极和漏极之间的寄生电容之和；所述第二反馈电容等于所述第二pmos管的栅极和漏极之间的寄生电容与所述第二nmos管的栅极和漏极之间的寄生电容之和。

6、进一步地，所述第一晶体管对和所述第二晶体管对的栅极和漏极之间的寄生电容为12ff。

7、进一步地，所述第一输入电容和所述第二输入电容采用mom电容。

8、进一步地，所述微型化脑电信号放大器还包括设置在所述斩波调制单元的输出端与所述斩波解调制单元的输入端的阻抗提升回路，所述阻抗提升回路设有阻抗提升电容，所述阻抗提升电容包括第一阻抗提升电容和第二阻抗提升电容，其中，所述第一阻抗提升电容连接在所述斩波调制单元的正向输出端与所述斩波解调制单元的正向输入端之间；所述第二阻抗提升电容连接在所述斩波调制单元的负向输出端与所述斩波解调制单元的负向输入端之间。

9、进一步地，所述阻抗提升电容与所述反馈电容的数值大小相匹配，同时减小输入电容，提高所述微型化脑电信号放大器的输入阻抗。

10、进一步地，所述第一阻抗提升电容和所述第二阻抗提升电容采用mom电容。

11、进一步地，所述微型化脑电信号放大器还包括可变增益放大单元，所述可变增益放大单元用于将所述固定增益放大单元放大后的脑电信号再进行可变增益的放大处理得到进一步放大的脑电信号。

12、本技术的另一个方面提供一种脑机接口芯片系统。所述脑机接口芯片系统包括信号放大模块、信号转换及传输模块以及信号接收及处理模块，其中，所述信号放大模块用于对穿戴于颅外的搭载有脑电信号采集设备的干性主动电极采集到的输入信号中的脑电信号进行放大处理，得到放大的脑电信号，所述信号放大模块包括如上所述的微型化脑电信号放大器；所述信号转换及传输模块用于将放大的脑电信号进行转换，编码和传输形成转换后的数字信号；所述信号接收及处理模块用于对转换后的数字信号进行接收、解码和处理形成得到最终的脑电信号。

13、进一步地，所述脑机接口芯片系统还包括传输电极和用户电极，其中，所述信号接收及处理模块用于将转换后的数字信号通过所述传输电极传输至所述用户电极，所述用户电极用于将转换后的数字信号进一步传输至所述信号接收及处理模块。

14、进一步地，所述传输电极设置于人体的体表，所述用户电极集成在人体的可穿戴设备内，所述传输电极通过无线体表传输至所述用户电极。

15、本技术的微型化脑电信号放大器及脑机接口芯片系统至少能够取得以下有益技术效果中的一个或多个：

16、（1）本技术通过使用放大器晶体管对的栅极和漏极之间介电层形成的寄生电容来替代传统放大器的反馈电容，极大地减小了反馈电容的数值，同时由于反馈电容缩小，基于固定增益，相应的输入电容数值也大幅减小，可以大幅降低芯片面积；

17、（2）本技术的输入电容与阻抗提升电容可以均采用mom电容，mom电容采用多层金属结构，电容密度高于传统的mim电容，从而，可以极大地减小芯片面积；

18、（3）本技术基于180纳米成熟芯片工艺设计，该工艺相比较先进工艺具有更优的噪声性能，通过本技术实现了对于该工艺片上电容器件最小尺寸的突破，在保证噪声性能的同时实现了芯片的微型化。