专利名称：基于非线性能量运算的脑电峰电位检测电路及其构造方法植入式无线脑电获取通常采用多电极信号采集方法，由于同时得到多通道峰电位信号，所以可以完成交互性的检测和处理。然而，不同电极采集的信号往往包含周围电极的信息以及大量的背景噪音，每个通道的信号都需要经过后期处理以及A/D转化，因此大量的冗余信息使得系统的后期处理以及无线发射数据量增加。同时由于无线通信对传输的信号带宽有限制，所以需要对脑电信号进行峰值检测，以准确检测到电极采集的神经元的动作电位，排除其他神经元和噪音的干扰。为了更好地检测出脑电信号峰电位，目前已有多种检测电路被提出，如区域窗口检测、小波变换应用、阈值比较检测、非线性能量检测等。区域窗口检测、小波变换应用其算法复杂度过高，不易于硬件集成化实现，无法完成微小体积下高速、低功耗的植入式脑机接口的需求。阈值比较检测虽然易于集成化实现，但精度低、误差大的缺点限制了其的使用。非线性能量算法(nonlinear energy operator, ΝΕΟ)主要包括微分器、模拟乘法器两个模块，其在检测效率上有较大的优势，尤其是在对低信噪比信号的处理中，但是仍需在低功耗、低面积性能上做更大的改进。对现有技术的研究过程中，本发明的发明人利用基于亚阈值区和电流模式电路设计了一种低功耗、低面积的非线性能量峰值检测电路，实现了对脑电信号峰电位的有效提取，同时更加符合了植入式脑机接口系统对功耗、面积的要求。
本发明针对现有技术采用非线性能量算法(Nonlinear Energy Operator，简称 ΝΕΟ)检测脑电峰电位，如何进一步实现低功耗、低面积性能的问题，提供一种基于非线性能量运算的脑电峰电位检测电路及其设计方法，可以在极低的功耗和面积条件下，实现对脑电信号峰电位的有效检测。一种基于非线性能量运算的脑电峰电位检测电路，包括两个全差分微分放大器、 两个四象限电流模式模拟乘法器和一个电流信号减法器。通过第一全差分微分放大器得到原输入脑电信号的一阶时域微分信号，一阶时域微分信号再通过第二全差分微分放大器得到原输入脑电信号的二阶时域微分信号，两路一阶时域微分信号通过第一四象限电流模式模拟乘法器得到其平方信号，一路原输入脑电信号和一路二阶时域微分信号通过第二四象限电流模式模拟乘法器得到其乘积信号，两个四象限电流模式乘法器的输出信号输入给电流信号减法器计算差值，输出脑电信号的峰电位。所述的全差分微分放大器主要包括双端输出的对称差分放大电路、电容C和源极跟随器，用于对差分输入信号进行微分运算，并进一步差分输出送入乘法器的正负输入端。所述的四象限电流模式模拟乘法器包含两个全差分跨导放大电路、两个跨导线性环和偏置电路部分，输入四象限电流模式模拟乘法器的两对差分输入信号由全差分跨导放大电路转化成电流信号，转换的电流信号经过采用工作在亚阈值区的MOS管组成的跨导线性环输出两对差分输入信号的乘积信号。所述的电流信号减法电路包含五对镜像管，对两个四象限电流模式乘法器的输出信号求差，通过双端转单端输出电路输出脑电信号的峰电位。本发明提供的一种基于非线性能量运算的脑电峰电位检测电路的构造方法，具体如下第一步，设置两个全差分微分放大器，原输入脑电信号通过第一个全差分微分放大器得到其一阶时域微分信号，一阶时域微分信号再通过第二个全差分微分放大器得到原输入脑电信号的二阶时域微分信号。第二步，设置两个四象限电流模式模拟乘法器，将两路原输入脑电信号的一阶时域微分信号输入一个四象限电流模式模拟乘法器得到其平方信号，将一路原输入脑电信号与一路二阶时域微分信号输入一个四象限电流模式模拟乘法器得到其乘积信号；所述的四象限电流模式模拟乘法器中采用CMOS管构造跨导线性环，MOS管工作在亚值域区。第三步，设置一个电流信号减法器，将通过两个四象限电流模式模拟乘法器得到的一阶时域微分信号的平方信号与原输入脑电信号与其二阶时域微分信号的乘积信号输入给所述的电流信号减法器，电流信号减法器通过对两路输入信号计算差值得到脑电信号的峰电位并输出。本发明通过对非线性能量检测中各模块的低功耗设计，取得了良好的性能。在全差分微分放大器的电路设计中，采用基于亚阈值区工作的设计思路，降低了功耗，同时简单的结构和较小的电容值，节省了芯片面积；在模拟乘法器的设计中，首次采用了新型的 CMOS跨导线性环结构，利用MOS管工作在亚阈值区时漏源电流与栅源电压的指数关系，以极小的静态功耗实现了四象限模拟乘法器，从而更加较低了系统功耗。图1为本发明的脑电峰电位检测电路的总体框图；图2为本发明的全差分微分放大器的电路示意图；图3为全差分微分放大器的幅频相频特性曲线示意图；图4为本发明的四象限电流模式乘法器结构示意图；图fe与图恥为乘法器的直流传输特性曲线示意图；图6为电流信号减法电路示意图；图7为非线性能量峰值检测仿真结果；图8为本发明的脑电峰电位检测电路的构造方法的步骤流程图。
64中各部分提供电流；NMOS管M27和M28与NMOS管M29和M3tl分别组成两个全差分跨导放大电路；NMOS管M21、M22、M23、M24、M25、M26皆工作在亚阈值区，漏源电流与栅源电压呈指数关系， 匪OS管M21、M22、M23和M24与匪OS管M21、M22、M25和M26分别组成两个跨导线性环，匪OS管M21 的源极接NMOS管M24和M25的栅极，NMOS管M22的源极接NMOS管M23和M26的栅极。NMOS管 M21、M22的源极分别接NMOS管M27、M28的漏极，NMOS管M23、M24的源极相连并接M29管的漏极， NMOS管M25、M26的源极相连并接NMOS管M3tl的漏极。最后NMOS管M23、M25的漏极相连作为正端输出I。ut+，MOS管M24、M26的漏极相连作为负端输出I。ut_。NMOS管M21、M22的栅极、漏极相连并接偏置电路部分中的PMOS管Md2，NMOS管M27、M28源极相连并接偏置电路部分中的NMOS 管Md4，NMOS管M29、M30源极相连并接偏置电路部分中的NMOS管Md5 ；偏置电路部分中，PMOS1管Mdl与Md2连接电源，NMOS管Md3、Md4与Md5接地。PMOS管Mdl与Md2提供乘法因子7。信号
走向为四象限电流模式乘法器3、4两对差分输入信号Vinl+、Vinl_与Vin2+、Vin2_经过全差分跨导放大电路，分别转换成电流信号Iinl+、Iinl-与Iin2+、Iin2_。电流信号经过跨导线性环后，
输出i。ut+与i。ut_的差值即为两对差分输入信号的乘积信号(w = IinX]^in2。所述四象限电流模式模拟乘法器3、4的直流传输特性曲线如图fe与图恥所示， V。ut = k * Vinl * Vin2，k为乘法因子。其中图fe为输出V。ut(单位为ν)与输入信号Vinl (单位为ν)的特性关系，每条直线的斜率为k * Vin2 ；图5b为输出V。ut(单位为ν)与输入信号 Vin2 (单位为ν)的特性关系，每条直线的斜率为k ± Vinl。所述的电流信号减法器5，如图6所示，包括五对镜像管PM0S管礼1与礼2、匪05管 M33与M34、PM0S管M35与M36、匪OS管M37与M38、PM0S管M39与M4(1。其中镜像管MmJ4q的漏极接输入信号Iinl、Iin2 ；镜像管M32、M39的漏极分别接镜像管M33、M38的漏极；镜像管M34、M37的漏极分别接镜像管M35、M36的漏极，在镜像管M37的漏极连接镜像管M36的漏极的线路上下拉一负载电阻&接地。信号走向为输入信号Iinl经过三对镜像管M31与M32、M33与M34、M35与 M36镜像，输入信号Iin2经过镜像管M39与M4(1、M37与M38镜像，则Iinl等于M36的漏极电流Id6， Iin2等于M37的漏极电流Id7。所以在礼6漏极的输出信号V。ut = (Iinl-Iin2) ，其中&为负载电阻，从而实现了减法功能，Iinl、Iin2分别为两个四象限电流模式乘法器3、4的输出信号。如图7所示为一个应用本发明脑电峰电位检测电路的实施例的仿真结果，其中上图为带有较多冗余信息的原输入脑电信号(neural signal)，有四处峰值电位(spike)；下图为经过峰电位检测装置后的最终输出信号(ΝΕΟ output)，很好地实现了对原信号中的峰值电位(spike)的检测，去除了其他的冗余信息。本发明提供的一种基于非线性能量运算的脑电峰电位检测电路的构造方法，如图 8所示，具体如下第一步，设置两个全差分微分放大器1、2，原输入脑电信号通过第一个全差分微分放大器1得到其一阶时域微分信号，一阶时域微分信号再通过第二个全差分微分放大器2 得到原输入脑电信号的二阶时域微分信号。如图2所示，全差分微分放大器1、2电路中的共模反馈部分的MOS管M。3、M。4、M。5和M。6，共源共栅电流源中的MOS管Mbl-Mb6,以及两个输入 PMO S管M工、M2工作亚阈值区，可以降低系统的功耗。
第二步，设置两个四象限电流模式模拟乘法器3、4，将两路原输入脑电信号的一阶时域微分信号输入第一个四象限电流模式模拟乘法器3得到其平方信号，将一路原输入脑电信号与一路二阶时域微分信号输入第二个四象限电流模式模拟乘法器4得到其乘积信号；所述的四象限电流模式模拟乘法器3、4中采用CMOS管构造跨导线性环，MOS管工作在亚值域区。当MOS管工作在亚阈值区时，漏源电流与栅源电压呈指数关系，由此可以设计 CMOS跨导线性环代替传统的双极结型晶体管BJT跨导线性环。同时亚阈值区的工作电路， 具有较低的静态工作电流可以降至nA数量级，饱和导通电压为2-5UT，因此很好地降低了系统的功耗。四象限电流模式模拟乘法器3、4包含两个全差分跨导放大电路、两个跨导线性环和偏置电路部分，输入四象限电流模式模拟乘法器的两对差分输入信号由全差分跨导放大电路转化成电流信号，转换的电流信号经过采用工作在亚阈值区的MOS管组成的跨导线性环输出两对差分输入信号的乘积信号。第三步，设置一个电流信号减法器5，将通过两个四象限电流模式模拟乘法器3、 4得到的一阶时域微分信号的平方信号与原输入脑电信号与其二阶时域微分信号的乘积信号输入给所述的电流信号减法器5，电流信号减法器5通过对两路输入信号计算差值得到脑电信号的峰电位并输出。


本发明为基于非线性能量运算的脑电峰电位检测电路及其构造方法，其中，检测电路包括两个全差分微分放大器、两个四象限电流模式模拟乘法器和一个电流信号减法器；通过全差分微分放大器获取原输入信号的一阶和二阶时域微分信号，通过两个模拟乘法器得到两路一阶时域微分信号的平方信号以及原输入信号和二阶时域微分信号的乘积信号；两个模拟乘法器的输出信号通过电流信号减法器求差值得到脑电信号的峰电位。该检测电路的构造方法，主要通过在四象限电流模式乘法器中采用CMOS跨导线性环，并设置全差分微分放大器的工作电路处于亚阈值区来实现。本发明以极小的静态功耗实现了四象限模拟乘法器，节省了芯片面积，降低了系统功耗。