[实用新型]一种基于MTJ器件的神经信号放大器及脑机接口系统

说明书

本实用新型公开了一种基于MTJ器件的神经信号放大器及脑机接口系统，属于生物信号处理技术领域。该放大器设置了两条反馈回路，其中的伪电阻RH采用MTJ和MOS管组成，针对低于300Hz的频段内的信号，根据其幅值进行选择性的放大，即只对高脉冲的神经动作信号进行有效识别并放大。伪电阻RH采用MTJ和MOS管串联构成，缓解了MOS电流正负向不匹配的问题，噪声更低，减小了放大器的失真，还降低了对神经信号的干扰。由于伪电阻具有极高的电阻，电容C2不需要很大的面积就能实现一个很低的低频截止点，一定程度上减少了芯片面积，另外，本申请MTJ采用MEMS工艺直接制作在第四、五层金属中，也减少了芯片面积的占用。

技术领域

本实用新型涉及一种基于MTJ器件的神经信号放大器及脑机接口系统，属于生物信号处理技术领域。

背景技术

脑机接口，顾名思义，就是在人脑与计算机或者其他设备之间建立直接的交流和控制的通道，借助该通道，大脑发出的神经信号不再需要通过人的肢体或语言即可传输给计算机或者其他设备。将这一技术应用于医疗领域，可以提高身体严重残疾的患者与外界交流或者控制外部环境的能力。同时，脑电接口还有助于观察人体在受到外界刺激时神经信号的活动状态，为进一步的医疗研究提供相关的资料。

现有的脑机接口系统通常由微电极、神经前端放大器、带通滤波器组成。其中，微电极被用来提取大脑的神经信号；神经前端放大器则是用来将对微电极提取的弱神经信号进行放大；带通滤波器则是用于滤除噪声；通常情况下，神经前端放大器同样具有一定的滤波作用。

现阶段用于脑机接口的神经前端放大器主要有三种结构：电容耦合放大器、斩波稳定放大器和基于ADC的放大器。

电容耦合放大器是脑机接口神经前端放大器最常见的结构。在该结构中，电阻和电容并联组成反馈回路作为补偿，产生一个高通滤波器的低频截止点，从而消除放大器输入信号中的直流偏置。为了使这个低频截止点的频率足够低，同时尽量减小芯片的面积，反馈回路总的电阻通常由阻值很高的MOS伪电阻组成。

斩波稳定放大器是通过调制和解调的方式来消除神经信号中的闪烁噪声和直流偏置。通过把校零放大器自身反馈产生的校零电压存储到电容中，在放大周期中，主放大器受电容中存储好的校零电压影响，从而消除输入信号中的直流偏置。

基于ADC的放大器是将一个差分对与ADC和DAC相结合，通过对数模混合信号的滤波，从而消除神经信号中的直流偏置。通过DAC的调制差分对的宽度，MOS管进入亚阈值区，将偏置电压降低到1mV的水平，同时可以消除噪声的影响。ADC可以采样到神经信号中的尖峰信号，所以也可以提高信噪比。

上述几种神经前端放大器大多是通过滤波的作用来放大动作电位(Actionpotential,AP)，例如，大多数动作电位存在于300Hz到5KHz，所以，前端放大器多工作这个频段内，既滤除了其它频段内信号的影响，又能放大所关注的动作电位。但实际上，在低于300Hz的局部场电位(Local field potential,LFP)信号中，一些低频的动作电位也会存在，而且这些电位存在较高的电压幅值。对于这些低于300Hz的动作电位，上述几种神经前端放大器无法有效地识别并放大。

另外，在电容耦合放大器中，反馈回路的伪电阻多采用二极管连接的MOS电阻来实现。二极管连接的电阻虽然有较高的阻值，但是流过它的直流电流在相反方向时是不相等的。这种差异会导致放大器的输出端发生失真与不平衡，影响信号的读取。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种基于MTJ器件的神经信号放大器及脑机接口系统。