【電子科學與技術(shù)開題報告：斬波運算放大器的設(shè)計】

開題報告課題名稱斬波運算放大器的設(shè)計系名信息工程系專業(yè)電子科學與技術(shù)課題的來源及意義腦電波信號課題的來源及意義腦電波信號(EEG)是人體十分重要的生物電勢信號，包含著大量的人體生物信息。EEG的應用覆蓋了輔助治療、思維認知、腦部疾病診斷、康復醫(yī)療和軍事等諸多領(lǐng)域。隨著信號處理技術(shù)和芯片技術(shù)的發(fā)展逐漸趨向成熟，通過獲取人體腦電波信號來解析大腦信息的課題被廣泛研究。本文將提出一個低噪聲、低功耗、高共模抑制比、增益可調(diào)的EEG信號采集前端讀出電路。電路由兩部分組成:一個電流補償結(jié)構(gòu)的儀表放大器和一個增益級運算放大器。通過電流反饋技術(shù)，該儀表放大器能夠?qū)崿F(xiàn)高共模抑制比和低功耗。同時，采用帶通濾波的設(shè)計方法來實現(xiàn)低噪聲，以及一個片外電阻來實現(xiàn)增益可調(diào)。增益級運算放大器是一個帶緩沖級的折疊式共源共柵運放，能夠提供較高的電壓增益。整個電路基于GSMC_R018S6D0CMOS工藝，用1.8V直流電源供電，在Cadence軟件環(huán)境下進行原理圖設(shè)計、電路仿真優(yōu)化以及版圖的繪制和驗證。仿真結(jié)果表明，該讀出電路能夠?qū)崿F(xiàn)更小的芯片尺寸、更高的共模抑制比、優(yōu)越的帶通濾波性能和便捷的增益調(diào)節(jié)功能，在綜合性能上有了提升和創(chuàng)新。指導教師國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀大腦是人體最復雜的系統(tǒng)，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，科學家們在大腦的探索之旅上逐步前進。人們發(fā)現(xiàn)，腦部電信號是人類探索大腦奧秘的一個突破口。腦電波信號（electroencephalographEEG）是大腦的生物電信號，有很強的隨機性，包含著人體大量的信息。1924年，德國科學家伯格第一次獲得腦電波信號，從這時起，腦電波信號的研究在諸多領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。作為一種無創(chuàng)的人體檢測裝置，腦電波信息被廣泛應用于神經(jīng)醫(yī)學的診斷和治療，如心理學、神經(jīng)生理學、認知神經(jīng)科學和病理生理學。腦電波在臨床醫(yī)學的應用主要集中在腦外傷、癲癰、腦血管疾病、睡眠障礙、顱內(nèi)炎癥等神經(jīng)科疾病領(lǐng)域。在某些精神領(lǐng)域，腦電波作為輔助醫(yī)療手段也應用于神經(jīng)癥、精神分裂癥和老年性精神病等疾病。進入21世紀，科學家們更是試圖將腦電波應用于人們的日常生活，腦機界面(BrainComputerInterface,BCI)的研究就是其中之一，這使得腦電波的研究進入了醫(yī)療康復領(lǐng)域。隨著人們對腦電波研究和應用的重視越來越多，腦電圖檢測室及腦電波采集設(shè)備室己經(jīng)在綜合醫(yī)院、大型腦電波研究機構(gòu)廣泛建立，極大地促進了腦電波的研究及其臨床應用的發(fā)展?？偟膩碚f，腦電波研究領(lǐng)域涵蓋的范圍非常廣泛。不同的研究者有不同的腦電波探索需求，采集腦電波的現(xiàn)場環(huán)境因為研究目的的多樣化而有所不同。這些領(lǐng)域的研究和應用需要方便有效的腦電波信號采集技術(shù)的大力支持，尤其需要能夠適應于各種干擾環(huán)境的腦電波信號采集技術(shù)。然而，許多國家嚴格限制了醫(yī)療器械的出口，使得國內(nèi)外許多腦電波研究機構(gòu)的運作成本大幅增加。此外，大多數(shù)商用設(shè)備體積過大，對科研環(huán)境提出了很高的要求。而且，大型腦電波采集設(shè)備輻射較大，通常需要在屏蔽環(huán)境下工作，這些給腦電波的研究，特別是給早期或者簡陋環(huán)境下的腦電波研究帶來了不小的障礙。因此，人們非常希望能夠設(shè)計出適用于普通環(huán)境、低成本、高性能的腦電波信號采集設(shè)備。這種設(shè)備適應大眾的需求，能夠得到更好的推廣和應用，從而可以推動腦電波的科學研究。1958年，英國倫敦大學學者Dawson研制出腦部誘發(fā)電位的電一機轉(zhuǎn)換處理裝置，開創(chuàng)了腦部誘發(fā)電位記錄技術(shù)。可是，早期的信號處理和電子電路技術(shù)水平有限，計算機技術(shù)也比較落后，因此腦電波信號采集技術(shù)的研究受到很大的限制。那時的腦電波研究還處于目視分析階段，EEG研究者只能憑借自身的豐富經(jīng)驗來排除信號噪音，根據(jù)波形的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)進行分類，從而得到結(jié)論。所以，人們只能進行一些簡單的波形分析，很少能在復雜多變的腦電波信號中提取出有價值的信息，更別說對這些信息進行研究分析了。隨著科技的發(fā)展，工藝制造水平的提高以及廣泛的市場需求，憑借自身的豐富經(jīng)驗來排除信號噪音，根據(jù)波形的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)進行分類，從而得到結(jié)論。所以，人們只能進行一些簡單的波形分析，很少能在復雜多變的腦電波信號中提取出有價值的信息，更別說對這些信息進行研究分析了。隨著科技的發(fā)展，工藝制造水平的提高以及廣泛的市場需求，EEG信號采集技術(shù)得到了很大的發(fā)展。生物電勢信號采集電路的改良有利于高質(zhì)量EEG信號的采集，再加上如今高度發(fā)達的計算機技術(shù)，研究人員能夠獲取大量的有用信息，人類探知生命奧秘的腳步向前邁進了一大步。如今，一些經(jīng)典的腦電波信號采集設(shè)備以及信號處理裝置相繼出現(xiàn)，引起世界各國的廣泛關(guān)注。例如2000年，美國伊利諾伊州大學學者Farewell與Donehin利用腦部P300電位實現(xiàn)的虛擬打字機，其準確率可達80%。可見，EEG的研究應用己經(jīng)不局限于疾病診斷領(lǐng)域，在康復醫(yī)療領(lǐng)域也發(fā)揮了一定的作用。雖然這些腦機界面技術(shù)還不夠成熟，但其在康復醫(yī)療和軍事領(lǐng)域的重要應用價值，引起了全世界的矚目。2003年后，世界上最大的醫(yī)療保健設(shè)備生產(chǎn)商VIASYSHealthcareInc(美國)開發(fā)出了基于PDA的便攜式EEG監(jiān)護儀“SNAP”，實現(xiàn)了BCI技術(shù)在商用和民用領(lǐng)域的應用。三、研究目標以EEG信號監(jiān)測的斬波運算放大器為研究對象，整個電路基于GSMC_R018S6D0CMOS工藝，用1.8V直流電源供電，在Cadence軟件環(huán)境下進行原理圖設(shè)計、電路仿真優(yōu)化以及版圖的繪制和驗證。設(shè)計（研究）內(nèi)容和要求本論文用一個高性能的電流平衡儀表放大器作為信號采集前端讀出電路的前級放大部分，用一個折疊式共源共柵運算放大器作為后級放大部分，構(gòu)成一個單通道的EEG信號采集系統(tǒng)前端讀出電路。根據(jù)常見EEG信號采集系統(tǒng)前端讀出電路的性能指標，本論文完成了讀出電路芯片的原理圖設(shè)計、電路參數(shù)仿真、元器件參數(shù)計算等模擬集成電路前端設(shè)計，以及后端設(shè)計中的版圖繪制和驗證。研究方法、研究手段研究方法、研究手段文獻研究法——通過調(diào)查文獻來獲得資料，從而全面地、正確地了解所掌握所要研究的問題。實驗法——通過主支變革、控制研究對象來發(fā)現(xiàn)與確認事物間的因果聯(lián)系的一種方法。進度安排1、2016.12.07-2017.03.15查找資料，翻譯外文文獻，了解EEG的相關(guān)知識，完成開題報告。2、2017.03.20-2017.04.05熟練cadence軟件，畫出子模塊原理圖。3、2017.04.10-2017.04.30對總原理圖進行模擬仿真，調(diào)試驗證。4、2017.05.10-2017.06.01撰寫論文，準備答辯。參考文獻[1]李穎潔，邱意弘，朱貽盛.腦電信號分析方法及其應用[M].北京:科學出版社2009:1-8.[2]I.Korhonen,J.Parkka,M.vanGils,Healthmonitoringinthehomeoffuture[J].EngineeringinMedicineandBiologyMagazineIEEE,vol.22，2003:66-72.[3]B.Gyselinckx,C.VanHuman++:AutonomoustheIEEE，200_5:18-21.Hoof,J.Ryckaert,R.Yazicioglu,P.Fiorini,V.Leonov,wirelesssensorsforbodyareanetworks[J].ProceedingsoftheIEEE，2005:18-21.[4]趙侖，ERP實驗教程[M].天津:天津社會科學園出版社，2004:40-50.選題是否合適：是□否□[5]S.Park,S.Jayaraman,Enhancingthequalityoflifethroughwearabletechnology[J]EngineeringinMedicineandBiologyMagazineIEEE,vol.22，2003:41-48.[6]C.Mundt,K.Montgomery,U.Udoh,V.Barker,G.Thonier,A.Tellier,R.Ricks,R.Darling,Y.Cagle,N.Cabrol,S.Ruoss,J.Swain,J.Hines,G.Kovacs,Amultiparameterwearablephysiologicmonitoringsystemforspaceandterrestrialapplications[J].InformationTechnologyinBiomedicine,IEEETransactionson,vol.9,no.3，200_5:382-391.[7]R.Paradiso,L.Giannicola,N.Taccini,Awearablehealthcaresystembasedonknittedintegratedsensors[J].InformationTechnologyinBiomedicine,IEEETransactionson,vol.3，200_5:337-344.[8]CuffinBN.Effectsoffissuresinthebrainonelectroencephalogramsandmagnetoencephalograms[J].JApplPhy,1985:146-153.[9]E.WaterhouseNewhorizonsinambulatoryelectroencephalography[J].EngineeringinMedicineandBiologyMagazine,IEEE,vol.22,no.3,2003:74-80.[10]J.GWebster,MedicalInstrumentation,