適用于人工耳蝸系統(tǒng)的植入刺激電路的設(shè)計

人工耳蝸是幫助傳感性耳聾患者恢復聽覺的一種電子裝置，它把外部的聲音轉(zhuǎn)換為聽神經(jīng)需要的電刺激，將這種刺激通過植入電極刺激聽覺神經(jīng)，人工制造出聽覺。

人工耳蝸主要由四部分構(gòu)成： （１）語音處理器，按照一定的算法將聲音轉(zhuǎn)換成適當?shù)碾娦盘枺唬ǎ玻﹤鬏斚到y(tǒng)，用來將電信號和體內(nèi)電路所需的能量從體外傳送到體內(nèi)；（３）植入刺激電路，用來處理體外傳入的電信號并產(chǎn)生刺激聽神經(jīng)的電脈沖；（４）電極（組），用來直接刺激聽覺神經(jīng)。其中植入刺激電路、接收天線和電極組通過外科手術(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 在實驗時發(fā)現(xiàn)將通電的電極插入雙耳時“使頭內(nèi)產(chǎn)生轟響聲”，隨后會聽到“一種如同粘液沸騰的聲音”。此后人類便開始了對電刺激恢復聽覺的研究；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神經(jīng)，使患者可以產(chǎn)生音調(diào)感覺；此后，受到電極陣列技術(shù)條件和無法實現(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 根或者更多的獨立電極，同時集成電路的制造和設(shè)計技術(shù)也有了很大的進步，植入芯片由分立元件實現(xiàn)發(fā)展到專用集成電路實現(xiàn)，功耗和面積都得到了很大程度的降低，越來越多的人工耳蝸系統(tǒng)開始出現(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)模混合專用集成電路設(shè)計實現(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。

圖１ 植入刺激電路結(jié)構(gòu)示意圖

植入刺激電路通過接收線圈接收體外電路發(fā)射的信號，從中提取出數(shù)據(jù)和能量，并對數(shù)據(jù)解碼形成相應(yīng)的脈沖刺激電流刺激聽神經(jīng)。具體各部分的功能為：（１）接收線圈負責接收體外線圈發(fā)射的調(diào)制信號；（２）整流濾波電路對接收線圈接收到的信號進行整流、濾波，得到１２ Ｖ 的高壓電源電壓ＶＣＣ；（３）高壓帶隙基準模塊產(chǎn)生低壓降穩(wěn)壓器使用的１.２ Ｖ 參考電源電壓Ｖｒｅｆ； （４）低壓降穩(wěn)壓器負責產(chǎn)生３？３ Ｖ 的常壓電源ＶＤＤ給其他常壓模塊供電；（５）上電復位電路負責在低壓降穩(wěn)壓器輸出到一定電位時產(chǎn)生復位信號，控制數(shù)字模塊復位，進入工作狀態(tài)；（６）數(shù)據(jù)時鐘恢復模塊將線圈接收到的信號進行處理，解調(diào)出數(shù)字控制模塊所需的數(shù)據(jù)信號（ｄａｔａ）和時鐘信號（ｃｌｋ）； （７）數(shù)字控制模塊負責從數(shù)據(jù)時鐘恢復模塊恢復出的數(shù)據(jù)信號中提取出關(guān)于刺激電流的各種參數(shù)（刺激電極選擇、刺激維持時間、刺激強度等），控制開關(guān)陣列和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路；（８）常壓帶隙基準源負責產(chǎn)生數(shù)模轉(zhuǎn)換電路所需要的０？９ Ｖ 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度產(chǎn)生控制壓控電流源的控制電壓； （１０）壓控電流源負責根據(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）開關(guān)陣列根據(jù)數(shù)字控制模塊提取出的電極序號選通待刺激的電極，并維持相應(yīng)的刺激時間。

體內(nèi)刺激電路有兩個工作電壓，１２ Ｖ 高壓電源ＶＣＣ和３。３ Ｖ 常壓電源ＶＤＤ。使用１２ Ｖ 高壓電源的模塊為高壓模塊，采用相應(yīng)的高壓工藝進行設(shè)計；使用常壓電源的模塊為常壓模塊，采用常壓工藝進行設(shè)計。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度。

２ 關(guān)鍵模塊電路實現(xiàn)

２.１ 帶隙基準源

植入刺激電路中有高壓和常壓兩個帶隙基準源，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。通過雙極型晶體管ＶＢＥ的負溫度系數(shù)和不同電流密度的兩個雙極型晶體管的ＶＢＥ之差ΔＶＢＥ的正溫度系數(shù)相加產(chǎn)生與溫度無關(guān)的基準電壓，輸出電壓為

其偏置電流由自偏置模塊產(chǎn)生，運算放大器為典型的兩級運放結(jié)構(gòu)。常壓帶隙基準源要給數(shù)模轉(zhuǎn)換電路提供穩(wěn)定的有驅(qū)動能力的參考電位，因此在基準源的輸出端根據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的精度，等效電容，刺激速率要求設(shè)計完成了兩級密勒補償?shù)木彌_器，用以驅(qū)動數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。

圖２ 帶隙基準源核心電路結(jié)構(gòu)

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)機設(shè)計，在不同的狀態(tài)下生成相應(yīng)的控制信號。它以數(shù)據(jù)時鐘模塊恢復出的時鐘為工作時鐘，將數(shù)據(jù)時鐘模塊恢復出的數(shù)據(jù)進行譯碼，提取出刺激強度控制數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，提取出刺激維持時間、刺激電極序號控制開關(guān)陣列。本設(shè)計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、刺激強度、刺激脈寬、電極編號１、電極編號２、最后一位是奇偶校驗位。該部分電路采用標準ＡＳＩＣ 設(shè)計流程，規(guī)模約１ ５００ 門，功耗７３０μＷ＠１０ ＭＨｚ。

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對稱的電容陣列組成，為減小電路轉(zhuǎn)換的毛刺幅度，提高線性度，高三位使用溫度計編碼，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的參考電平由基準源提供。

圖４ 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

２.４ 壓控電流源電路

該部分由滿足數(shù)模轉(zhuǎn)換電路精度和速度的運算放大器和一個高壓ＮＭＯＳ 反饋管組成，具體電路如圖５ 所示。運放與ＮＭＯＳ 管Ｍ１ 組成的負反饋保證電阻Ｒ （本設(shè)計中Ｒ 為外接電阻，以方便對該電路的測試以及調(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，從而保證流過兩個電極的電流為Ｉｏｕｔ ＝ ＶＤＡＣ ／ Ｒ 以實現(xiàn)刺激強度隨數(shù)模轉(zhuǎn)換Ｓ 電路輸出的變化。其中運算放大器采用兩級密勒補償結(jié)構(gòu)，輸入部分為ＰＭＯＳ 射級跟隨器，用以實現(xiàn)電平移位，保證在數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出電壓很小時運放仍然正常工作。

圖５ 壓控電流源電路

２.５ 開關(guān)陣列電路

開關(guān)陣列結(jié)構(gòu)示意圖如圖６ 所示。本設(shè)計中電極共有１７ 個（ＥＬ０ ～ ＥＬ１６），圖中僅給出兩個電極作為示意，數(shù)字控制部分通過控制如圖所示的模擬開關(guān)來控制刺激電流方向，刺激維持時間以及選通電極。比如，當ＥＬＶＥｎ１ 和ＥＬＡＥｎ２ 閉合時，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ＥＬＶＥｎ２ 和ＥＬＡＥｎ１ 閉合時，電流由電極ＥＬ２ 流向ＥＬ１。這樣，通過開關(guān)陣列，很容易實現(xiàn)電極的選擇，電流方向及刺激維持時間的控制。ＥＬＩｄｌｅ 開關(guān)用于短接未被選中的電極以泄放殘留的不平衡電荷。

圖６ 開關(guān)陣列結(jié)構(gòu)示意圖

３ 芯片版圖實現(xiàn)

植入刺激電路為一數(shù)模混合電路，０？３５μｍ工藝流片，芯片總面積為９ ｍｍ２，數(shù)字模塊、高壓模塊、常壓模塊均單獨供電，共使用７７ 個ＰＡＤ （３７個高壓ＰＡＤ，４０ 個常壓ＰＡＤ）。為保證能夠測量各個組成電路的性能，各個模塊間除了必要的連接外均相互獨立，并且各個模塊都有獨立的測試ＰＡＤ，具體版圖如圖７ 所示。

圖７ 版圖實現(xiàn)

４ 測試結(jié)果

因為電路的ＰＡＤ 數(shù)目比較多，同時各個模塊都留有單獨的測試ＰＡＤ，所以首先單獨封裝測試了各個組成模塊的性能，然后在此基礎(chǔ)上進行了完整功能的測試。帶隙基準源電路輸出穩(wěn)定的１？２２２ Ｖ電壓，基準的平均偏差（５ 片）為０？０８２％，片間偏差最大為０？８２％，電壓調(diào)整率為１？８３８ ｍＶ ／ 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 上的電壓測試波形變化如圖８ 所示，刺激脈寬為５０μｓ，在電極間負載為１ ５００ Ω時最大輸出刺激電流為２ ｍＡ，每通道刺激頻率最高可達９３０ 脈沖／ ｓ。

圖８ 測試電極上電壓輸出

６ 結(jié)論

本文設(shè)計了一種專用于１６ 通道、電流脈沖刺激方式的人工耳蝸體內(nèi)刺激電路，通過測試表明該芯片的各個組成部分均可以正常工作，指標滿足設(shè)計的要求。該芯片可以產(chǎn)生１６ 通道的雙相刺激電流，電流大?。拨蹋痢?２ ｍＡ 分１ ０２４ 級可調(diào)，無電流刺激時電極通過開關(guān)ＥＬＩｄｌｅ 短接以泄放電極上的不平衡電荷，提高刺激的安全性。同時芯片具有一定的數(shù)據(jù)檢錯能力，當數(shù)據(jù)奇偶校驗錯誤時，會放棄當前接受到的數(shù)據(jù)，繼續(xù)進行下一幀數(shù)據(jù)的處理。

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