22、神经记录与刺激电路设计详解

神经记录与刺激电路设计详解

1. 控制阶段信号处理

控制阶段会对两个通道的信号幅度进行比较。首先，对信号进行整流处理，接着利用放大器G3放大其绝对值的差值。G3的输出会输入到一个具有长时间常数的积分器中，由此产生反馈信号Va和 -Va。可变增益放大器会通过平衡施加到求和放大器Go的两个通道输出端的复合信号幅度，来抵消袖带不平衡的影响，这与TT方法类似。最终，两个通道中幅度相等且反相的干扰信号会被消除，而同相的ENG信号则会被相加并放大。

2. 生物放大器电路

生物电位信号具有低频和低幅度的特点。例如，使用三极袖带电极记录的ENG信号，其均方根值通常约为1mV，功率谱密度分布较宽且平坦，中心频率约为1 - 2kHz，大部分功率集中在300Hz至5kHz之间。就算采用穿透电极记录神经活动，记录到的神经动作电位幅度也往往只有几十微伏。因此，用于放大微弱生物电信号的放大器必须具备低噪声性能，并且理想情况下功耗要低，以延长电池使用寿命，特别是在需要长期植入的系统中。此外，大多数设计还需要抑制由于电极 - 组织界面的电化学效应产生的（直流）电极偏移，或者抑制共模干扰（这就需要高共模抑制比）。针对这些问题，已经开发出了多种方法，可分为基于时钟的技术和连续时间技术。

2.1 基于时钟的技术

为了提高低噪声放大器的性能，已经提出了不同的基于时钟的方法，包括基于物理效应的噪声降低（偏置切换）、斩波调制和自动调零等技术。这些技术主要旨在降低闪烁噪声（也称为1/f噪声），但对白噪声没有改善作用。
- 偏置切换 ：该技术通过周期性地增加和减小MOS晶体管的栅极偏置，使器件在反型和积累状态之间交替，从而降低1/f