人工耳蝸是幫助傳感性耳聾患者恢復(fù)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(dāng)?shù)碾娦盘?hào)；（２）傳輸系統(tǒng)，用來將電信號(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，用來處理體外傳入的電信號(hào)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(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)聽到“一種如同粘液沸騰的聲音”。此后人類便開始了對(duì)電刺激恢復(fù)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(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)?；旌蠈Ｓ眉呻娐吩O(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。

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(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神經(jīng)。具體各部分的功能為：（１）接收線圈負(fù)責(zé)接收體外線圈發(fā)射的調(diào)制信號(hào)；（２）整流濾波電路對(duì)接收線圈接收到的信號(hào)進(jìn)行整流、濾波，得到１２ Ｖ 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１.２ Ｖ 參考電源電壓Ｖｒｅｆ； （４）低壓降穩(wěn)壓器負(fù)責(zé)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(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？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(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，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(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。

圖２ 帶隙基準(zhǔn)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(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(gè)對(duì)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(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)該電路的測試以及調(diào)節(jié)刺激電流的大?。┥系碾妷簽閿?shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出，從而保證流過兩個(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。

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(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(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，通過開關(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(shí)現(xiàn)

植入刺激電路為一數(shù)?；旌想娐?，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(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)立的測試ＰＡＤ，具體版圖如圖７ 所示。

圖７ 版圖實(shí)現(xiàn)

４ 測試結(jié)果

因?yàn)殡娐返模校粒?數(shù)目比較多，同時(shí)各個(gè)模塊都留有單獨(dú)的測試ＰＡＤ，所以首先單獨(dú)封裝測試了各個(gè)組成模塊的性能，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完整功能的測試。帶隙基準(zhǔn)源電路輸出穩(wěn)定的１？２２２ Ｖ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(fù)載為１ ５００ Ω時(shí)最大輸出刺激電流為２ ｍＡ，每通道刺激頻率最高可達(dá)９３０ 脈沖／ ｓ。

圖８ 測試電極上電壓輸出

６ 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)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(gè)組成部分均可以正常工作，指標(biāo)滿足設(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?。拨蹋痢?２ ｍＡ 分１ ０２４ 級(jí)可調(diào)，無電流刺激時(shí)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(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。

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