0 引言

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?；?）傳輸系統(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(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)?；旌蠈Ｓ眉呻娐吩O(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,。

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(fù)責(zé)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產(chǎn)生復(fù)位信號，控制數(shù)字模塊復(fù)位,，進入工作狀態(tài),；（6）數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)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(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)模塊恢復(fù)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(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,，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(zhǔn)源

植入刺激電路中有高壓和常壓兩個帶隙基準(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,，運算放大器為典型的兩級運放結(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,。

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(fù)出的時鐘為工作時鐘，將數(shù)據(jù)時鐘模塊恢復(fù)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(biāo)準(zhǔn)AsIC設(shè)計流程,，規(guī)模約1500門,，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(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(fù)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?。┥系碾妷簽閿?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,。

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(dāng)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(dāng)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。

3 芯片版圖實現(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9MM2,，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。

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(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時最大輸出刺激電流為2MA，每通道刺激頻率最高可達930脈沖／s,。

5 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(biāo)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,，電流大小2μA～2mA分1024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(dāng)數(shù)據(jù)奇偶校驗錯誤時，會放棄當(dāng)前接受到的數(shù)據(jù),，繼續(xù)進行下一幀數(shù)據(jù)的處理,。