【电子科学与技术开题报告：斩波运算放大器的设计】

开题报告课题名称斩波运算放大器的设计系名信息工程系专业电子科学与技术课题的来源及意义脑电波信号课题的来源及意义脑电波信号(EEG)是人体十分重要的生物电势信号，包含着大量的人体生物信息。EEG的应用覆盖了辅助治疗、思维认知、脑部疾病诊断、康复医疗和军事等诸多领域。随着信号处理技术和芯片技术的发展逐渐趋向成熟，通过获取人体脑电波信号来解析大脑信息的课题被广泛研究。本文将提出一个低噪声、低功耗、高共模抑制比、增益可调的EEG信号采集前端读出电路。电路由两部分组成:一个电流补偿结构的仪表放大器和一个增益级运算放大器。通过电流反馈技术，该仪表放大器能够实现高共模抑制比和低功耗。同时，采用带通滤波的设计方法来实现低噪声，以及一个片外电阻来实现增益可调。增益级运算放大器是一个带缓冲级的折叠式共源共栅运放，能够提供较高的电压增益。整个电路基于GSMC_R018S6D0CMOS工艺，用1.8V直流电源供电，在Cadence软件环境下进行原理图设计、电路仿真优化以及版图的绘制和验证。仿真结果表明，该读出电路能够实现更小的芯片尺寸、更高的共模抑制比、优越的带通滤波性能和便捷的增益调节功能，在综合性能上有了提升和创新。指导教师国内外发展现状国内外发展现状大脑是人体最复杂的系统，随着科学技术的发展，科学家们在大脑的探索之旅上逐步前进。人们发现，脑部电信号是人类探索大脑奥秘的一个突破口。脑电波信号（electroencephalographEEG）是大脑的生物电信号，有很强的随机性，包含着人体大量的信息。1924年，德国科学家伯格第一次获得脑电波信号，从这时起，脑电波信号的研究在诸多领域发挥着举足轻重的作用。作为一种无创的人体检测装置，脑电波信息被广泛应用于神经医学的诊断和治疗，如心理学、神经生理学、认知神经科学和病理生理学。脑电波在临床医学的应用主要集中在脑外伤、癫痈、脑血管疾病、睡眠障碍、颅内炎症等神经科疾病领域。在某些精神领域，脑电波作为辅助医疗手段也应用于神经症、精神分裂症和老年性精神病等疾病。进入21世纪，科学家们更是试图将脑电波应用于人们的日常生活，脑机界面(BrainComputerInterface,BCI)的研究就是其中之一，这使得脑电波的研究进入了医疗康复领域。随着人们对脑电波研究和应用的重视越来越多，脑电图检测室及脑电波采集设备室己经在综合医院、大型脑电波研究机构广泛建立，极大地促进了脑电波的研究及其临床应用的发展。总的来说，脑电波研究领域涵盖的范围非常广泛。不同的研究者有不同的脑电波探索需求，采集脑电波的现场环境因为研究目的的多样化而有所不同。这些领域的研究和应用需要方便有效的脑电波信号采集技术的大力支持，尤其需要能够适应于各种干扰环境的脑电波信号采集技术。然而，许多国家严格限制了医疗器械的出口，使得国内外许多脑电波研究机构的运作成本大幅增加。此外，大多数商用设备体积过大，对科研环境提出了很高的要求。而且，大型脑电波采集设备辐射较大，通常需要在屏蔽环境下工作，这些给脑电波的研究，特别是给早期或者简陋环境下的脑电波研究带来了不小的障碍。因此，人们非常希望能够设计出适用于普通环境、低成本、高性能的脑电波信号采集设备。这种设备适应大众的需求，能够得到更好的推广和应用，从而可以推动脑电波的科学研究。1958年，英国伦敦大学学者Dawson研制出脑部诱发电位的电一机转换处理装置，开创了脑部诱发电位记录技术。可是，早期的信号处理和电子电路技术水平有限，计算机技术也比较落后，因此脑电波信号采集技术的研究受到很大的限制。那时的脑电波研究还处于目视分析阶段，EEG研究者只能凭借自身的丰富经验来排除信号噪音，根据波形的相关数据参数进行分类，从而得到结论。所以，人们只能进行一些简单的波形分析，很少能在复杂多变的脑电波信号中提取出有价值的信息，更别说对这些信息进行研究分析了。随着科技的发展，工艺制造水平的提高以及广泛的市场需求，凭借自身的丰富经验来排除信号噪音，根据波形的相关数据参数进行分类，从而得到结论。所以，人们只能进行一些简单的波形分析，很少能在复杂多变的脑电波信号中提取出有价值的信息，更别说对这些信息进行研究分析了。随着科技的发展，工艺制造水平的提高以及广泛的市场需求，EEG信号采集技术得到了很大的发展。生物电势信号采集电路的改良有利于高质量EEG信号的采集，再加上如今高度发达的计算机技术，研究人员能够获取大量的有用信息，人类探知生命奥秘的脚步向前迈进了一大步。如今，一些经典的脑电波信号采集设备以及信号处理装置相继出现，引起世界各国的广泛关注。例如2000年，美国伊利诺伊州大学学者Farewell与Donehin利用脑部P300电位实现的虚拟打字机，其准确率可达80%。可见，EEG的研究应用己经不局限于疾病诊断领域，在康复医疗领域也发挥了一定的作用。虽然这些脑机界面技术还不够成熟，但其在康复医疗和军事领域的重要应用价值，引起了全世界的瞩目。2003年后，世界上最大的医疗保健设备生产商VIASYSHealthcareInc(美国)开发出了基于PDA的便携式EEG监护仪“SNAP”，实现了BCI技术在商用和民用领域的应用。三、研究目标以EEG信号监测的斩波运算放大器为研究对象，整个电路基于GSMC_R018S6D0CMOS工艺，用1.8V直流电源供电，在Cadence软件环境下进行原理图设计、电路仿真优化以及版图的绘制和验证。设计（研究）内容和要求本论文用一个高性能的电流平衡仪表放大器作为信号采集前端读出电路的前级放大部分，用一个折叠式共源共栅运算放大器作为后级放大部分，构成一个单通道的EEG信号采集系统前端读出电路。根据常见EEG信号采集系统前端读出电路的性能指标，本论文完成了读出电路芯片的原理图设计、电路参数仿真、元器件参数计算等模拟集成电路前端设计，以及后端设计中的版图绘制和验证。研究方法、研究手段研究方法、研究手段文献研究法——通过调查文献来获得资料，从而全面地、正确地了解所掌握所要研究的问题。实验法——通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果联系的一种方法。进度安排1、2016.12.07-2017.03.15查找资料，翻译外文文献，了解EEG的相关知识，完成开题报告。2、2017.03.20-2017.04.05熟练cadence软件，画出子模块原理图。3、2017.04.10-2017.04.30对总原理图进行模拟仿真，调试验证。4、2017.05.10-2017.06.01撰写论文，准备答辩。参考文献[1]李颖洁，邱意弘，朱贻盛.脑电信号分析方法及其应用[M].北京:科学出版社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]赵仑，ERP实验教程[M].天津:天津社会科学园出版社，2004:40-50.选题是否合适：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,