基于神经信号采集技术的无线传输片上系统研究

2017-06-12李嘉慧梁勇

现代电子技术 2017年11期

李嘉慧++梁勇

摘要：基于生物电信号的幅频特性，研究了高精度、低噪声和低功耗的信号采集与无线传输方法和优化理论。通过SMIC 180 nm 1P6M标准CMOS工艺设计实现了一款用于自由活动被测体的神经电信号采集和无线传输芯片。主要论述了射频电路设计，在该生物电信号采集和传输系统中采用无线方式对信号进行传输，为了增加其通用性，兼顾板级天线互连及其面积尺寸，依据科学研究、教育和商用的开放频段（2.4～2.438 GHz）对无线收发组件进行研究和设计。

关键词：生物电信号；集成电路；无线传输；低噪声；低功耗； CMOS

中图分类号： TN4?34； TM417 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）11?0151?04

Research on wireless transmission SoC based on neural signal acquisition technology

LI Jiahui， LIANG Yong

（Henan University， Kaifeng 475000， China）

Abstract： On the basis of amplitude?frequency characteristic of bioelectrical signal， the high?precision， low?noise and low?power consumption singal acquisition and wireless transmission method， and its optimization theory are studied. An electro?neurographic signal acquisition and wireless transmission chip applied to the freedom iterm under test was realized with CMOS process conforming SMIC180 nm 1P6M standard. The design of RF circuit is discussed mainly. The wireless mode is selected to transmit the signal in the electro?neurographic signal acquisition and transmission system. In order to enhance the versatility， and take into account the board?level antenna interconnection and its size， the wireless receiving conponent was researched and designed according to the open band （2.4～2.438 GHz） of scientific research， education and commercial.

Keywords： bioelectrical signal； integrated circuit； wireless transmission； low noise； low?power consumption； CMOS

随着现代集成电路工艺技术的发展和进步，结合微电子技术的神经电学已经成为非常有前景，同时也是非常复杂的交叉学科热点课题[1]。目前对神经电信号、信号处理技术、集成电路技术及工艺等的研究已有一定的基础，而且一些生物电信号处理系统初现雏形，通过电学的方式进行大脑和神经元的信息采集、实时监控、神经修复、甚至脑电控制的智能传感及信号处理系统的实际需求越来越多且紧迫，同时对推动科技发展、改善人们生活也有着重要的价值。

1 神经信号采集及无线传输系统的系统构架

1.1 关键设计要点

对电路设计的具体关键指标和要点要求主要體现在以下三个方面：

（1）低噪声的设计

低噪声的设计对于准确和完整的采集信号是至关重要的决定要素，因此噪声性能在很大程度上影响了甚至直接决定系统的整体性能和应用效果。本设计涉及到的低噪声指标主要是对于模拟前端的要求，模拟前端包括从微电极采集到的神经信号到模数转换后的数字信号的处理过程[2]。低噪声设计体现在两个方面：采用低噪声的结构和采用低噪声的器件。

在本文的设计中选择亚阈值的器件实现低噪声的要求。工作在亚阈值区域的晶体管，由于其载流子以扩散电流的形式传输，故其在氧化层和硅衬底的界面上被俘获和释放的几率非常小，从而产生的干扰噪声也很小。在高阻值小面积的电阻实现可能下，片上集成高通滤波器，一方面去除了信号频带外低频闪烁噪声，另一方面实现了前级电路的高输入阻抗[3]。

（2）低功耗设计

低功耗从保护被测活体到提高续航能力的角度上都是重要的要求，也是衡量整体系统的重要指标。低功耗的设计考虑主要基于以下四个层面：

① 在整体架构的层面上，选择节省功耗的调制方式保证无线收发的低功耗实现；

② 在单元模块的层面上，对可能的功能模块进行最大化的合并和核心电路的复用，有效地节省电流消耗，比如滤波电路和放大电路的结构级合并；

③ 在电路设计的层面上，分析具体电路的功耗与指标的设计折衷和优化，确保实现基于此电路结构的优化功耗；

④ 在数字算法的层面上，基于具体应用加入相应的数字算法对处理数据速率进行压缩，有利于射频收发的功耗节省。

（3）模拟、数字射频的单片集成

由于本设计中即将进行的是在同一个衬底上集成数字、模拟和射频电路，所以衬底噪声水平成为整个系统的关键性能。衬底的噪声主要通过背栅效应、衬底接触、金属线与衬底的寄生电容、键合线和封装类型等不理想因素进行扩散和传播[4]。在本设计的集成系统应用中，微弱信号本身信号功率低、频率高，而杂散噪声信号又无处不在，特别是通过衬底的电容耦合将泄露到微弱信号放大前端的敏感模块，所以处理模拟、数字和射频模块间衬底噪声的干扰是实现本次设计低噪声性能的关键。

1.2 系统构架

系统整体构架如图1所示。

基于信号调整系统小型化、便携化的迫切需求，及单片集成相较于板级集成的低噪声、低功耗等优势，本设计采用高集成芯片设计方法[5]。

为了保证系统的高性能、低功耗和低噪声，总体设计要考虑以下几点：

首先，系统将单片集成模拟、数字和射频功能电路，如图1所示，模块间芯片内部的信号交换有效地降低了功耗和噪声；其次，对一些传统板级分立实现的功能电路进行合并设计，例如高通滤波和放大电路的整体设计，这样有利于低功耗和低噪声的设计实现；再次，在单元电路设计中分析和选取在功耗和噪声性能上有优势的结构；最后，由于系统的高集成度，信号之间的串扰格外需要考虑，电路及版图设计要严格考虑匹配性和低噪声、低失调。

本设计基于2.4 GHz工作频段（设计频率2.4～2.5 GHz）对无线收发组件进行研究和设计，这是因为这个频段是对商业、医学和科研开放的可用授权频段。整体芯片分为模拟前端处理模块、射频发射模块和接收模块。其中，模拟前端处理模块通过低噪声、高增益的低频放大器和高精度低功耗的SDADC来实现；发射端选用低功耗的开关键控调制方式，片上的压控振荡器提供调制的载波信号，最后调制的信号经过功率放大器发射；射频接收端选用两级增益可控的射频低噪声放大器对射频信号进行无线接收，通过开关键控解调和缓冲后，数字解码传送到上位机供研究使用。

2 射频电路设计

2.1 射频電路系统设计

射频整体的系统构架如前文所示，其中RF发射部分集成在可移植的单片集成芯片内部，因此在设计过程中要着重遵循低电压、低功耗、低噪声、小面积的原则[6]。基于这样的系统要求，在设计中需考虑以下四点：

（1）系统采用开关键控调制方式（On?Off Keying， OOK）对串行信号进行调制。特别是对比频移键控的调制方式，在实现电路带宽上至少节省1.5倍，而功耗节省50%。此外，OOK的优点在于调制机理简易，因此对应的调制和解调电路结构实现相对简单、对载波的性能和相应的放大电路的线性要求相对比较低。

（2）采用LC型压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）代替锁相环，使整体电路规模、功耗和面积上都有更大的节省，有利于低功耗设计。

（3）根据选用的蓝牙6 m传输距离要求，决定了功率放大器（Power Amplifier，PA）的工作性能。作为大功率输出模块，PA的功耗决定了整体射频电路的功耗水平，所以功耗优化的PA是低功耗的设计要点，同时采用双极性编码方式提高数据速率，这样功率放大器可间断性的工作，从而在时间上降低平均功耗。

（4）低噪声放大器是决定无线传输距离和精度的又一个重要单元电路。因为放大器在接收模块的最前端，所以放大器的前端匹配、噪声性能和增益是设计的主要性能要求，同时功耗要求不再非常严格。

2.2 发射模块电路设计

射频发送端由三部分组成，如图2所示。其中包括用于产生载波信号的差分连续可调LC型压控振荡器、用于将载波信号和输出信号进行调制的开关键控调制电路、使得信号发送距离和功率符合实验环境应用的功率放大器，最后通过板级天线进行无线发送。

图2 发射模块系统框图

在发射模块的设计中需要考虑的要点如下：

（1）基于系统的整体应用选择调制方式。在本设计中选择调制解调电路结构相对简易、节省功耗的开关键控信号调制方式。开关键控的调制方式就是将数字“1”调制为高频载波信号输出；而当调制数字为“0”时，调制电路关闭从而输出共模直流信号。在调制电路的设计实现中要重点考虑信号数据率的建立时间、输出幅度和级间匹配以及功耗[7]。

（2）根据无线传输标准的频率和调制方式选择载波信号产生模块。在本设计中选择LC型压控振荡器结构[8]。这是由于开关键控调制方式对载波信号的噪声等性能要求不严格，所以可以选用低功耗的压控振荡器模块代替锁相环结构；考虑到WiFi频段在使用器件上干扰很多，所以需要设计一定谐振频率可调范围以保证正常使用。在压控振荡器的设计中重点考虑可调谐振范围和功耗。

（3）根据无线传输标准选择设计功率放大器模块。在本设计中需要功率放大器有4 dBm的饱和输出功率以满足6 m实际应用的输出标准。另外，为了保证调制后的信号经过功率放大器放大后包络仍然能够保持方波的形状，需要功率放大器具有包含至少3次谐波甚至5次谐波的带宽。

2.3 接收模块电路设计

射频主要由射频低噪声放大器和开关键控解调器组成，最后得到的CMOS信号由缓冲级缓冲输出上位机，如图3所示。首先通过片上集成巴伦将接收到的单端信号转换为差分信号，然后通过两级增益可控低噪放大结构对接收到的信号进行放大，其次采用包络检波电路对开关键控调制信号进行解调，再通过两级输出共模可控电流模逻辑对解调后的包络信号进行放大，最后采用输出电路缓冲输出CMOS数字信号[9]。

图3 发射模块系统框图

为了实现接收机在6 m的传输距离下可以正确接收和实现功能，接收机灵敏度是最重要和需要特殊设计的指标。为了提高整体系统的接收精度，在接收模块的设计中需要考虑的要点如下：

（1）采用片上集成巴伦。差分的拓扑结构有利于放大器降低噪声，而发送的信号为单端信号，所以需要对接收到的信号进行单转差的处理。片上集成的巴伦有利于降低噪声放大器输入端的阻抗匹配，从而间接提高由天线接收到放大器的输入功率，同时减小PCB处理的难度和面积。

（2）低噪声放大器的低噪声和可控增益设计。低噪声的噪声水平直接影响和决定了接收端的接收灵敏度。这是因为当天线接收到的信号功率比较微弱时，大的增益可以保证解调电路的功能正确；而当接收信号功率比较大时，比较小的增益又可以保证放大器的输出范围不超过解调电路可处理的最大饱和度。所以通过增益可控减轻了解调电路的设计要求。

（3）解调器共模提取电路的比较设计。解调电路的增益与低噪声放大器之间的级间匹配也极大地影响和决定了接收机的接收灵敏度；此外，由于解调电路检波包络为单端输出，为了产生正确的数字码，通常需要将其与共模幅值进行比较，而共模值的提取决定了信号输出的占空比，也就是正误码，所以共模提取电路同样是解调电路中的设计重点。

（4） CML电路和数字缓冲输出保证防误码设计。数字缓冲输出电路用于将CML放大电路输出的模拟信号转换为数字信号，由于CML通常为电阻负载，而电阻在实际制造中误差比较大，所以其输出共模值浮动比较大。而在数字转换电路中，如果该共模值和数字电路的转换电平不一致，就会产生误码。所以CML的输出共模和一定的数字缓冲处理技术可以保证数字码的正确输出。

通过上面的分析，本设计中采用了两版对比流片设计验证高解调灵敏度的接收机实现。两个版本的区别在于分别采用AC耦合和RC提取共模结构，在数字缓冲输出结构中，选通开关可以控制信号通过普通方向器输出或滞回比较器输出。

2.4 电感的设计

通常情况下，根据射频模块的性能对电感的感值和品质因子有特定的设计要求，在此要求下对电感的设计可分为以下3个步骤：

（1）电感性能建模：结合工艺分析和仿真电感的各项性能指标，本次设计选用HFSS13作为片上电感的仿真软件；

（2）电感参数拟合：通过构建等效电路扫描各项寄生参数，使得模型具有和建模后电感相同的参数，本设计采用ADS2008软件对电感的参数进行拟合；

（3）电感版图绘制：根据建模得到的电感坐标，在Cadence版图工具上绘制电感版图并验证和仿真电感的性能。

结合上面的步骤给出该电感的设计流程和结果。电感的设计指标如表1所示。

表1 开关键控电感负载指标要求

[内容指标流片工艺 SMIC18 中心频率 2.45 GHz 电感类型差分电感感值 7.2 nH 品质因数（Q） >8 自谐振频率 >15 GHz ]

在步骤（1）中，用HFSS软件完成电感的3D模型，在空间中仿真其各项性能参数。根据SMIC18中各介质层与金属层的介电常数、电导率、磁导率、正切损耗等工艺参数，依照其工艺文件的要求填入HFSS的层定义中，接着按工艺文件的要求把介质层画好。根据得到的电感的设计指标，依据频率和电感的感值确定电感的圈数，由于所需电感为7.2 nH，所以考虑选择5圈或者6圈的电感作为模型。因为6圈的绕线比5圈具有更高的寄生电容，会导致电感Q值的下降和子谐振频率的降低。在没有特定面积限制的情况下优先选择4圈。由于顶层厚金属相对其他金属层具有更小的方块电阻和到地的寄生电容，因此采用它作为电感线圈。之后，绘制电感的3D模型，在定义参数时选择电感的线间距、线宽以及内径等数据。接着定义port并完成Analyse的设置后就可以仿真了。仿真时先扫描内径，确定7.2 nH感值大概的范围，然后通过改变线宽和线间距尽可能地提高Q值。最后确定内径为70.4 μm，线宽4.14 μm，线间距为0.83 μm。

在步骤（2）中，用ADS2008软件对电感的参数拟合。首先导出HFSS仿真完成后的参数文件。在ADS软件中搭好差分电感的拟合电路图，两个需要拟合的电路图分别为电感的参数文件和电感的双π物理模型。这个电路的目的是通过改变双π模型中各元件的参数使得两个模块的参数能够达到一致，即两个模块是等效的，在仿真时可以用电感的双π模型替换参数文件。

各个参数仿真后的拟合误差为0.114。拟合完成后，可比较参数和双π模型的参数结果，如图4所示，其中为HFSS建模后的参数在Smith圆图中的示意，为拟合后的模型的参数，可以看到和在Smith圆图中几乎完全重合，可以认为拟合完成。

最后，用Cadence软件完成电感的版图部分。首先，测量HFSS中电感各点的坐标并记录下来。在Cadence中按照记录的坐标值完成电感的版图，如图5所示。完成基本的版图后，加入RFDEV层表示此部分为射频原件，并通过DRC，LVS的验证，绘制完成的版图。

3 结论

基于神经电信号采集和传输系统的应用背景下，主要的设计挑战在于兼顾实现低噪声、高输入阻抗、低功耗、高精度和无线收发，本文通过对课题背景进行大量调研，主要对系统的设计要点和构架进行论述，并设计了射频电路，解决了有线传输时因被测活体的束缚和痛苦情绪而产生神经信号失准等问题。

参考文献

[1] 杜智超，张旭，刘鸣，等.低功耗高集成度CMOS神经信号放大器[J].高技术通讯，2014，24（1）：104?110.

[2] 吳朝晖，谢宇智，赵明剑，等.用于神经信号采集的高PSRR及CMRR植入式模拟前端[J].华南理工大学学报（自然科学版），2015，43（1）：15?20.

[3] 谢宏，董洋洋，姚楠，等.基于ADS1298与WiFi的脑电信号采集与传输系统设计[J].现代电子技术，2013，36（6）：150?153.

[4] 黄莉，张旭，关宁，等.多通道实时神经信号采集与峰电位检测系统[J].高技术通讯，2013，23（7）：767?772.

[5] 熊波，潘强.基于小波概率神经网络的CMOS电路IDDT诊断方法[J].舰船电子工程，2016，36（3）：112?114.

[6] 王琼颖，张宏民，李竹琴，等.基于STM32的脑电信号采集系统设计[J].集成技术，2015（5）：54?62.

[7] 王明，李在军，钟维，等.基于FPGA的多功能生物电信号检测系统[J].电子技术应用，2013，39（6）：34?36.