0 引言
人工耳蝸是幫助傳感性耳聾患者恢復(fù)聽(tīng)覺(jué)的一種電子裝置,，它把外部的聲音轉(zhuǎn)換為聽(tīng)神經(jīng)需要的電刺激，將這種刺激通過(guò)植入電極刺激聽(tīng)覺(jué)神經(jīng),，人工制造出聽(tīng)覺(jué),。
人工耳蝸主要由四部分構(gòu)成：（1）語(yǔ)音處理器，按照一定的算法將聲音轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào),；（2）傳輸系統(tǒng),，用來(lái)將電信號(hào)和體內(nèi)電路所需的能量從體外傳送到體內(nèi)；（3）植入刺激電路,，用來(lái)處理體外傳入的電信號(hào)并產(chǎn)生刺激聽(tīng)神經(jīng)的電脈沖,；（4）電極（組），用來(lái)直接刺激聽(tīng)覺(jué)神經(jīng),。其中植入刺激電路,、接收天線(xiàn)和電極組通過(guò)外科手術(shù)植入耳內(nèi)。
植入刺激電路是人工耳蝸的核心部件,，早在1800年,，AlessAndro VoltA在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)將通電的電極插入雙耳時(shí)“使頭內(nèi)產(chǎn)生轟響聲”，隨后會(huì)聽(tīng)到“一種如同粘液沸騰的聲音”,。此后人類(lèi)便開(kāi)始了對(duì)電刺激恢復(fù)聽(tīng)覺(jué)的研究,；到1960年fBsIMMons等人使用了一種單通道刺激系統(tǒng)，在耳蝸內(nèi)插入一根電極,，用電脈沖直接刺激聽(tīng)神經(jīng),，使患者可以產(chǎn)生音調(diào)感覺(jué)；此后,，受到電極陣列技術(shù)條件和無(wú)法實(shí)現(xiàn)小面積低功耗的植入刺激電路的限制,，人工耳蝸的發(fā)展很慢；20世紀(jì)80年代,，電極技術(shù)有了較大突破,，可以在一根載體中放入4根或者更多的獨(dú)立電極，同時(shí)集成電路的制造和設(shè)計(jì)技術(shù)也有了很大的進(jìn)步,，植入芯片由分立元件實(shí)現(xiàn)發(fā)展到專(zhuān)用集成電路實(shí)現(xiàn),，功耗和面積都得到了很大程度的降低，越來(lái)越多的人工耳蝸系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn),。目前三家商用的人工耳蝸系統(tǒng)的植入刺激電路普遍采用數(shù)?；旌蠈?zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。
本文介紹一種適用于16通道,、電流脈沖刺激方式的人工耳蝸系統(tǒng)的體內(nèi)刺激電路,。
1 芯片結(jié)構(gòu)和功能
植入刺激電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
植入刺激電路通過(guò)接收線(xiàn)圈接收體外電路發(fā)射的信號(hào),，從中提取出數(shù)據(jù)和能量,，并對(duì)數(shù)據(jù)解碼形成相應(yīng)的脈沖刺激電流刺激聽(tīng)神經(jīng),。具體各部分的功能為：（1）接收線(xiàn)圈負(fù)責(zé)接收體外線(xiàn)圈發(fā)射的調(diào)制信號(hào)；（2）整流濾波電路對(duì)接收線(xiàn)圈接收到的信號(hào)進(jìn)行整流,、濾波,，得到12V的高壓電源電壓VCC；（3）高壓帶隙基準(zhǔn)模塊產(chǎn)生低壓降穩(wěn)壓器使用的1.2V參考電源電壓Vref,；（4）低壓降穩(wěn)壓器負(fù)責(zé)產(chǎn)生3.3V的常壓電源Vdd給其他常壓模塊供電,；（5）上電復(fù)位電路負(fù)責(zé)在低壓降穩(wěn)壓器輸出到一定電位時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，控制數(shù)字模塊復(fù)位,，進(jìn)入工作狀態(tài),；（6）數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)模塊將線(xiàn)圈接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，解調(diào)出數(shù)字控制模塊所需的數(shù)據(jù)信號(hào)（dAtA）和時(shí)鐘信號(hào)（Clk）,；（7）數(shù)字控制模塊負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)模塊恢復(fù)出的數(shù)據(jù)信號(hào)中提取出關(guān)于刺激電流的各種參數(shù)（刺激電極選擇,、刺激維持時(shí)間、刺激強(qiáng)度等）,，控制開(kāi)關(guān)陣列和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路,；（8）常壓帶隙基準(zhǔn)源負(fù)責(zé)產(chǎn)生數(shù)模轉(zhuǎn)換電路所需要的0.9V參考電壓；（9）12位數(shù)模轉(zhuǎn)換電路根據(jù)數(shù)字控制模塊提取出的刺激強(qiáng)度產(chǎn)生控制壓控電流源的控制電壓,；（10）壓控電流源負(fù)責(zé)根據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的控制電壓產(chǎn)生精確的刺激電流,；（11）開(kāi)關(guān)陣列根據(jù)數(shù)字控制模塊提取出的電極序號(hào)選通待刺激的電極，并維持相應(yīng)的刺激時(shí)間,。
體內(nèi)刺激電路有兩個(gè)工作電壓,，12V高壓電源VCC和3.3V常壓電源Vdd。使用12V高壓電源的模塊為高壓模塊,，采用相應(yīng)的高壓工藝進(jìn)行設(shè)計(jì),；使用常壓電源的模塊為常壓模塊，采用常壓工藝進(jìn)行設(shè)計(jì),。采用雙電源既可以有效地降低電路功耗,，又可以保證刺激的強(qiáng)度。
2 關(guān)鍵模塊電路實(shí)現(xiàn)
2.1 帶隙基準(zhǔn)源
植入刺激電路中有高壓和常壓兩個(gè)帶隙基準(zhǔn)源,，二者均采用了傳統(tǒng)的帶隙結(jié)構(gòu),，其核心電路如圖2所示。通過(guò)雙極型晶體管VBe的負(fù)溫度系數(shù)和不同電流密度的兩個(gè)雙極型晶體管的VBe之差ΔVBe的正溫度系數(shù)相加產(chǎn)生與溫度無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓,，輸出電壓為
其偏置電流由自偏置模塊產(chǎn)生,，運(yùn)算放大器為典型的兩級(jí)運(yùn)放結(jié)構(gòu)。常壓帶隙基準(zhǔn)源要給數(shù)模轉(zhuǎn)換電路提供穩(wěn)定的有驅(qū)動(dòng)能力的參考電位,，因此在基準(zhǔn)源的輸出端根據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的精度,，等效電容，刺激速率要求設(shè)計(jì)完成了兩級(jí)密勒補(bǔ)償?shù)木彌_器，用以驅(qū)動(dòng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路,。
2.2 數(shù)字控制模塊
數(shù)字控制模塊是植入刺激電路中的數(shù)字部分，這部分采用有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì),，在不同的狀態(tài)下生成相應(yīng)的控制信號(hào),。它以數(shù)據(jù)時(shí)鐘模塊恢復(fù)出的時(shí)鐘為工作時(shí)鐘，將數(shù)據(jù)時(shí)鐘模塊恢復(fù)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼,，提取出刺激強(qiáng)度控制數(shù)模轉(zhuǎn)換電路,，提取出刺激維持時(shí)間、刺激電極序號(hào)控制開(kāi)關(guān)陣列,。本設(shè)計(jì)中使用的指令幀格式如圖3所示,，指令首位是幀起始位，然后依次是刺激模式,、刺激強(qiáng)度,、刺激脈寬、電極編號(hào)1,、電極編號(hào)2,、最后一位是奇偶校驗(yàn)位。該部分電路采用標(biāo)準(zhǔn)AsIC設(shè)計(jì)流程,，規(guī)模約1500門(mén),，功耗730μW＠10MHz。
圖3 指令幀格式
2.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路
12位數(shù)模轉(zhuǎn)換電路采用分段電容結(jié)構(gòu),，如圖4所示,。為了提高數(shù)模轉(zhuǎn)換電路電容陣列的匹配性，該數(shù)模轉(zhuǎn)換電路采用左右兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的電容陣列組成,，為減小電路轉(zhuǎn)換的毛刺幅度,，提高線(xiàn)性度，高三位使用溫度計(jì)編碼,，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的參考電平由基準(zhǔn)源提供,。
圖4 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路
2.4 壓控電流源電路
該部分由滿(mǎn)足數(shù)模轉(zhuǎn)換電路精度和速度的運(yùn)算放大器和一個(gè)高壓nMos反饋管組成，具體電路如圖5所示,。運(yùn)放與nMos管M1組成的負(fù)反饋保證電阻r（本設(shè)計(jì)中r為外接電阻,，以方便對(duì)該電路的測(cè)試以及調(diào)節(jié)刺激電流的大小）上的電壓為數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出,，從而保證流過(guò)兩個(gè)電極的電流為Iout＝VdAC／r以實(shí)現(xiàn)刺激強(qiáng)度隨數(shù)模轉(zhuǎn)換s電路輸出的變化,。其中運(yùn)算放大器采用兩級(jí)密勒補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，輸入部分為PMos射級(jí)跟隨器,，用以實(shí)現(xiàn)電平移位,，保證在數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出電壓很小時(shí)運(yùn)放仍然正常工作。
2.5 開(kāi)關(guān)陣列電路
開(kāi)關(guān)陣列結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。本設(shè)計(jì)中電極共有17個(gè)（el0～el16）,，圖中僅給出兩個(gè)電極作為示意,，數(shù)字控制部分通過(guò)控制如圖所示的模擬開(kāi)關(guān)來(lái)控制刺激電流方向，刺激維持時(shí)間以及選通電極,。比如,，當(dāng)elVen1和elAen2閉合時(shí)，電流由電極el1流向el2,，大小為前面壓控電流源產(chǎn)生的由數(shù)模轉(zhuǎn)換電路控制的電流,，而當(dāng)elVen2和elAen1閉合時(shí)，電流由電極el2流向el1,。這樣,，通過(guò)開(kāi)關(guān)陣列，很容易實(shí)現(xiàn)電極的選擇,，電流方向及刺激維持時(shí)間的控制,。elIdle開(kāi)關(guān)用于短接未被選中的電極以泄放殘留的不平衡電荷。
3 芯片版圖實(shí)現(xiàn)
植入刺激電路為一數(shù)?；旌想娐?，035μM工藝流片，芯片總面積為9MM2,，數(shù)字模塊,、高壓模塊、常壓模塊均單獨(dú)供電,，共使用77個(gè)PAd（37個(gè)高壓PAd,，40個(gè)常壓PAd）。為保證能夠測(cè)量各個(gè)組成電路的性能,，各個(gè)模塊間除了必要的連接外均相互獨(dú)立,，并且各個(gè)模塊都有獨(dú)立的測(cè)試PAd，具體版圖如圖7所示,。
4 測(cè)試結(jié)果
因?yàn)殡娐返腜Ad數(shù)目比較多,，同時(shí)各個(gè)模塊都留有單獨(dú)的測(cè)試PAd，所以首先單獨(dú)封裝測(cè)試了各個(gè)組成模塊的性能,，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完整功能的測(cè)試,。帶隙基準(zhǔn)源電路輸出穩(wěn)定的1.222V電壓，基準(zhǔn)的平均偏差（5片）為0.082％,，片間偏差最大為0.82％,，電壓調(diào)整率為1838mV／V。數(shù)字控制模塊,、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路,、壓控電流源均正常工作,，芯片整體工作正常，圖5中電阻r上的電壓測(cè)試波形變化如圖8所示,，刺激脈寬為50μs,，在電極間負(fù)載為1500Ω時(shí)最大輸出刺激電流為2MA，每通道刺激頻率最高可達(dá)930脈沖／s,。
5 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一種專(zhuān)用于16通道,、電流脈沖刺激方式的人工耳蝸體內(nèi)刺激電路，通過(guò)測(cè)試表明該芯片的各個(gè)組成部分均可以正常工作,，指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求,。該芯片可以產(chǎn)生16通道的雙相刺激電流,，電流大小2μA～2mA分1024級(jí)可調(diào),，無(wú)電流刺激時(shí)電極通過(guò)開(kāi)關(guān)elIdle短接以泄放電極上的不平衡電荷，提高刺激的安全性,。同時(shí)芯片具有一定的數(shù)據(jù)檢錯(cuò)能力,，當(dāng)數(shù)據(jù)奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)放棄當(dāng)前接受到的數(shù)據(jù),，繼續(xù)進(jìn)行下一幀數(shù)據(jù)的處理,。