10、硅耳蜗：原理、架构与应用

硅耳蜗：原理、架构与应用

1. 生物耳蜗概述

生物耳蜗是内耳的主要组成部分，是一个充满液体的螺旋状骨结构。它的主要功能是将代表声音输入的压力信号转换为神经信号，传递到大脑。

耳蜗从基部（最低圈）到顶部（最高圈）呈螺旋状，大约有2.5圈。内部被分为三个腔室：前庭阶、中阶和鼓阶。前庭膜将前庭阶与中阶分开，基底膜（BM）将中阶和鼓阶分开。柯蒂氏器位于基底膜上，包含内毛细胞（IHCs）和外毛细胞（OHCs），细胞的顶端是毛发状的静纤毛。

当声音进入耳蜗时，会引发压力波，沿着基底膜从基部向顶部传播。基底膜的物理特性（宽度和刚度）从基部到顶部发生变化，使得压力波的不同频率成分在基底膜的不同位置产生最大位移。高频声音在基部引起较大反应，低频声音在顶部引起较大反应。

内毛细胞静纤毛的偏转产生神经信号（传入信号），传递到大脑。大脑发出的神经信号（传出信号）可以改变外毛细胞的长度和宽度。外毛细胞被认为可以对机械结构进行主动解阻尼，使耳蜗滤波器的选择性能够根据输入声音的强度进行调整。

2. 硅耳蜗的研究背景与分类

研究人员对生物耳蜗的研究已经持续了近150年，而对硅耳蜗的研究也超过了20年。硅耳蜗的研究挑战在于设计和实现一个遵循生物耳蜗基本原理的复杂信号处理系统。随着低成本模拟超大规模集成电路（VLSI）技术的引入，第一个硅耳蜗于1988年由Lyon和Mead生产。

硅耳蜗的设计通常将生物耳蜗沿其长度等分为若干部分，每个部分用一个电子电路进行建模。硅耳蜗可以根据耳蜗滤波元件之间的耦合方式分为1D或2D，也可以根据耳蜗滤波器的增益和频率选择性是否根据输入强度动态调整分为有源或无源。