【電子科學(xué)與技術(shù)開題報(bào)告：斬波運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)】

開題報(bào)告課題名稱斬波運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)系名信息工程系專業(yè)電子科學(xué)與技術(shù)課題的來源及意義腦電波信號(hào)課題的來源及意義腦電波信號(hào)(EEG)是人體十分重要的生物電勢信號(hào)，包含著大量的人體生物信息。EEG的應(yīng)用覆蓋了輔助治療、思維認(rèn)知、腦部疾病診斷、康復(fù)醫(yī)療和軍事等諸多領(lǐng)域。隨著信號(hào)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(hào)來解析大腦信息的課題被廣泛研究。本文將提出一個(gè)低噪聲、低功耗、高共模抑制比、增益可調(diào)的EEG信號(hào)采集前端讀出電路。電路由兩部分組成:一個(gè)電流補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的儀表放大器和一個(gè)增益級運(yùn)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(shí)，采用帶通濾波的設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)低噪聲，以及一個(gè)片外電阻來實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)。增益級運(yùn)算放大器是一個(gè)帶緩沖級的折疊式共源共柵運(yùn)放，能夠提供較高的電壓增益。整個(gè)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(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真優(yōu)化以及版圖的繪制和驗(yàn)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(dǎo)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(fù)雜的系統(tǒng)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們在大腦的探索之旅上逐步前進(jìn)。人們發(fā)現(xiàn)，腦部電信號(hào)是人類探索大腦奧秘的一個(gè)突破口。腦電波信號(hào)（electroencephalographEEG）是大腦的生物電信號(hào)，有很強(qiáng)的隨機(jī)性，包含著人體大量的信息。1924年，德國科學(xué)家伯格第一次獲得腦電波信號(hào)，從這時(shí)起，腦電波信號(hào)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(yīng)用于神經(jīng)醫(yī)學(xué)的診斷和治療，如心理學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和病理生理學(xué)。腦電波在臨床醫(yī)學(xué)的應(yīng)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(yīng)用于神經(jīng)癥、精神分裂癥和老年性精神病等疾病。進(jìn)入21世紀(jì)，科學(xué)家們更是試圖將腦電波應(yīng)用于人們的日常生活，腦機(jī)界面(BrainComputerInterface,BCI)的研究就是其中之一，這使得腦電波的研究進(jìn)入了醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域。隨著人們對腦電波研究和應(yīng)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(jī)構(gòu)廣泛建立，極大地促進(jìn)了腦電波的研究及其臨床應(yīng)用的發(fā)展。總的來說，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?yàn)檠芯磕康牡亩鄻踊兴煌＿@些領(lǐng)域的研究和應(yīng)用需要方便有效的腦電波信號(hào)采集技術(shù)的大力支持，尤其需要能夠適應(yīng)于各種干擾環(huán)境的腦電波信號(hào)采集技術(shù)。然而，許多國家嚴(yán)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(jī)構(gòu)的運(yùn)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(jì)出適用于普通環(huán)境、低成本、高性能的腦電波信號(hào)采集設(shè)備。這種設(shè)備適應(yīng)大眾的需求，能夠得到更好的推廣和應(yīng)用，從而可以推動(dòng)腦電波的科學(xué)研究。1958年，英國倫敦大學(xué)學(xué)者Dawson研制出腦部誘發(fā)電位的電一機(jī)轉(zhuǎn)換處理裝置，開創(chuàng)了腦部誘發(fā)電位記錄技術(shù)?？墒?，早期的信號(hào)處理和電子電路技術(shù)水平有限，計(jì)算機(jī)技術(shù)也比較落后，因此腦電波信號(hào)采集技術(shù)的研究受到很大的限制。那時(shí)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(yàn)來排除信號(hào)噪音，根據(jù)波形的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行分類，從而得到結(jié)論。所以，人們只能進(jìn)行一些簡單的波形分析，很少能在復(fù)雜多變的腦電波信號(hào)中提取出有價(jià)值的信息，更別說對這些信息進(jìn)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(yàn)來排除信號(hào)噪音，根據(jù)波形的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行分類，從而得到結(jié)論。所以，人們只能進(jìn)行一些簡單的波形分析，很少能在復(fù)雜多變的腦電波信號(hào)中提取出有價(jià)值的信息，更別說對這些信息進(jìn)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(hào)采集技術(shù)得到了很大的發(fā)展。生物電勢信號(hào)采集電路的改良有利于高質(zhì)量EEG信號(hào)的采集，再加上如今高度發(fā)達(dá)的計(jì)算機(jī)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(jìn)了一大步。如今，一些經(jīng)典的腦電波信號(hào)采集設(shè)備以及信號(hào)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(xué)學(xué)者Farewell與Donehin利用腦部P300電位實(shí)現(xiàn)的虛擬打字機(jī)，其準(zhǔn)確率可達(dá)80%?？梢?，EEG的研究應(yīng)用己經(jīng)不局限于疾病診斷領(lǐng)域，在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域也發(fā)揮了一定的作用。雖然這些腦機(jī)界面技術(shù)還不夠成熟，但其在康復(fù)醫(yī)療和軍事領(lǐng)域的重要應(yīng)用價(jià)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(hù)儀“SNAP”，實(shí)現(xiàn)了BCI技術(shù)在商用和民用領(lǐng)域的應(yīng)用。三、研究目標(biāo)以EEG信號(hào)監(jiān)測的斬波運(yùn)算放大器為研究對象，整個(gè)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(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真優(yōu)化以及版圖的繪制和驗(yàn)證。設(shè)計(jì)（研究）內(nèi)容和要求本論文用一個(gè)高性能的電流平衡儀表放大器作為信號(hào)采集前端讀出電路的前級放大部分，用一個(gè)折疊式共源共柵運(yùn)算放大器作為后級放大部分，構(gòu)成一個(gè)單通道的EEG信號(hào)采集系統(tǒng)前端讀出電路。根據(jù)常見EEG信號(hào)采集系統(tǒng)前端讀出電路的性能指標(biāo)，本論文完成了讀出電路芯片的原理圖設(shè)計(jì)、電路參數(shù)仿真、元器件參數(shù)計(jì)算等模擬集成電路前端設(shè)計(jì)，以及后端設(shè)計(jì)中的版圖繪制和驗(yàn)證。研究方法、研究手段研究方法、研究手段文獻(xiàn)研究法——通過調(diào)查文獻(xiàn)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(shí)驗(yàn)法——通過主支變革、控制研究對象來發(fā)現(xiàn)與確認(rèn)事物間的因果聯(lián)系的一種方法。進(jìn)度安排1、2016.12.07-2017.03.15查找資料，翻譯外文文獻(xiàn)，了解EEG的相關(guān)知識(shí)，完成開題報(bào)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(jìn)行模擬仿真，調(diào)試驗(yàn)證。4、2017.05.10-2017.06.01撰寫論文，準(zhǔn)備答辯。參考文獻(xiàn)[1]李穎潔，邱意弘，朱貽盛.腦電信號(hào)分析方法及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)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(shí)驗(yàn)教程[M].天津:天津社會(huì)科學(xué)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,Amul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