当前，越来越多的研究者关注对神经系统的研究。一方面原因是由于各种神经系统疾病给众多的患者带来痛苦；另一方面，人们也需要更深入地了解人脑的工作原理，以推动诸如人工智能等学科的进步。集微电子技术和集成电路技术于一体的神经细胞电信号探测系统凭借其多通道、大数据量、实验持续时间长、实时性强和使用方便等特点，成为一种可用于神经细胞集群网络特性研究的有效装置。本文研究了用于进行体外实验的CMOS神经元电信号探测和刺激系统。所做的主要工作和创新包括：
　　1) 进行了神经细胞电信号探测与刺激系统的分析和结构设计。首先，基于探测和刺激神经细胞电信号的具体应用背景，分析并确定系统的设计指标；通过理论分析，对各个子模块的具体参数指标进行了分配。然后，对一些重要的指标，如噪声、功耗和面积等，进行了分析。最后，根据指标要求设计了系统的结构框架。
　　2) 介绍了神经元细胞的电属性和微电极阵列技术；建立了电极-细胞界面模型，并进行了理论分析。首先通过分析神经细胞的电属性，明确所探测的细胞电信号的来源和传递过程。然后对电极-细胞界面的特性进行建模，并分析了模型中参数的影响。最后根据理论分析，获得可用于指导电极设计以及电路设计的一些结论，并将理论分析结论与电极阻抗测试实验数据进行了对比。
　　3) 设计了新型的基于β乘法器的对称结构无电阻低功耗电流基准源。首先，分析了基准电流源的典型电路模块。然后，提出对称结构的电路，解决了传统基于β乘法器的基准源中电阻MOS管栅长过长的问题。电路采用CSMC 0.5-μm CMOS工艺进行了设计。仿真结果表明，提出的对称结构能有效降低电阻MOS管的长度。同时，这种基准源电路在提供nA级的低电流时，依然具备良好的电源抑制比、适中的线性调整率，和符合要求的温度系数，并且具备较低的功耗和较小的面积。
　　4) 提出了一种新结构的低噪声电流镜两级运算放大电路。首先分析和讨论了多种应用于神经细胞电信号探测的放大电路结构。在此基础上，设计了采用有源低频抑制技术和电容反馈技术的三种放大电路。其次，为了适应特殊的应用条件，设计实现了一种低噪声套筒式两级运算放大电路；并提出了一种新结构的低噪声电流镜两级运算放大电路。电路采用CSMC 0.5μm CMOS工艺设计和实现。仿真结果表明，所设计两种运放及放大电路具备较低的噪声，良好的共模抑制比和电源抑制比，带宽、功耗和面积等达到了应用要求。
　　5) 对低截止频率的集成有源滤波器进行了研究和设计。首先介绍了基本的滤波器类型、设计方法和指标。然后，根据应用需求，在比较和分析不同类型有源滤波器结构特点的基础上，设计了一种新型的结构简单和功耗低的2阶Gm-C单元电路。并讨论了一种基于2阶源极跟随器低通单元的4阶低通滤波电路。电路采用CSMC 0.5μm CMOS工艺设计。仿真结果表明，两种滤波电路均具有合适的带宽、nW级的低功耗和较小的面积，符合应用要求。
　　6) 提出了一种新型的含时钟馈通和阈值电压补偿的自举开关。在分析制约开关电路线性度的因素基础上，给传统的自举开关加入了补偿电路。该新型自举开关电路改善了时钟馈通和阈值电压变化的问题。电路采用CSMC 0.5μm CMOS工艺设计和实现。仿真结果表明，所设计开关电路具备较好的线性度。