集成雙極性神經(jīng)刺激脈沖發(fā)生器設(shè)計*

趙天宇， 李效龍， 李小偉

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

0 引 言

隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的發(fā)展，體積小、功能強(qiáng)、便攜帶的植入式迷走神經(jīng)刺激器成為了治療癲癇的首選方案。傳統(tǒng)的刺激脈沖發(fā)生器大多是基于分立元件建立，如文獻(xiàn)[1]中，使用可編程邏輯陣列單元和帶有變壓器的預(yù)定義程序產(chǎn)生脈沖信號，雖然可以產(chǎn)生低電平刺激信號，但在低頻情況下，想要通過變壓器對刺激信號放大，變壓器的尺寸會增大。同理,在文獻(xiàn)[2]中，將振蕩器、555定時器集成電路和變壓器結(jié)合，當(dāng)555定時器將輸出傳送至變壓器，并通過一對多諧振蕩器產(chǎn)生幅度、頻率可調(diào)的脈沖，但多組件使得電路復(fù)雜且尺寸過大。

本文基于傳統(tǒng)的神經(jīng)刺激器設(shè)計方案[3,4]，設(shè)計了一種產(chǎn)生電流刺激的雙極性神經(jīng)刺激脈沖發(fā)生器，通過多檔電流鏡與開關(guān)管的組合控制，克服了傳統(tǒng)神經(jīng)刺激器可調(diào)幅度小的缺點(diǎn)，并通過調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)信號控制H橋，實(shí)現(xiàn)刺激脈沖頻率、占空比可調(diào)，且所有器件均基于SMIC 0.18 μm工藝設(shè)計制造，滿足植入性器件體積小的要求。同時，通過帶隙基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生基準(zhǔn)電流，改善了CMOS工藝器件受溫度影響的缺點(diǎn)，提高了刺激脈沖電流的精確性。

1 電路設(shè)計與分析

1.1 帶隙基準(zhǔn)電流源

本文設(shè)計的帶隙基準(zhǔn)電流源結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為三個部分：啟動電路、帶隙基準(zhǔn)核心電路和V-I轉(zhuǎn)換電路。

圖1 帶隙基準(zhǔn)電流源

本文設(shè)計的是一階溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電路，利用雙極晶體管的基極—發(fā)射極電壓VBE具有負(fù)溫度系數(shù)，以及兩個工作在不同電流密度下的雙極晶體管基極—發(fā)射極電壓差ΔVBE具有正溫度系數(shù)的特性，通過添加適當(dāng)?shù)臋?quán)重，得到零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)，即

(1)

(2)

VREF=α1VBE+α2ΔVBE

(3)

式中VT=kT/q,IC為雙極晶體管集電極電流，IS為飽和電流。

如圖1電路所示，當(dāng)X點(diǎn)電壓近似等于Y點(diǎn)電壓時

ΔVBE=I1×R2

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因此,由上述公式可知，只需要調(diào)節(jié)R1/R2的比值,即能通過調(diào)節(jié)正溫度系數(shù)來得到零溫度系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓。

雖然利用開環(huán)增益很大的運(yùn)放能實(shí)現(xiàn)X點(diǎn)和Y點(diǎn)的電壓近似相等，但仍會由于運(yùn)放的失調(diào)存在誤差，所以，采用兩個雙極晶體管串聯(lián)的方式來減小誤差，也使得基準(zhǔn)電壓VREF提高了1倍。CC作為密勒補(bǔ)償電容提高了兩級運(yùn)放的穩(wěn)定性，相當(dāng)于在P點(diǎn)處引入了容值為(1+gm16)CC的大電容，不僅減小了P點(diǎn)的極點(diǎn)頻率，同時極大地增加了輸出極點(diǎn)的頻率。而RZ的引入則是為了消除兩級運(yùn)放中右半平面的零點(diǎn)，提高電路的穩(wěn)定性。

本文設(shè)計的啟動電路如圖1所示，當(dāng)電路進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)時，輸出帶隙基準(zhǔn)電壓為0 V，導(dǎo)致M9導(dǎo)通，M10關(guān)斷，所以，M11導(dǎo)通時拉低了M15和M16的柵極電壓，產(chǎn)生電流，使電路脫離關(guān)斷狀態(tài)，并在VREF正常時啟動電路自動關(guān)閉。M1～M4是兩個反相器串聯(lián)，通過控制M13和M18控制整個帶隙基準(zhǔn)電路的開關(guān)。二極管連接的M5～M7PMOS管則是為了降低電壓，使得M9和M10的反相器能在輸入電壓為VREF時正常工作。

最后，V-I轉(zhuǎn)換電路則是將輸出的帶隙基準(zhǔn)電壓通過Buffer連接一個源極跟隨器，并將具有正負(fù)溫度系數(shù)的電阻組合成零溫度系數(shù)的電阻，與帶隙基準(zhǔn)電壓構(gòu)成基準(zhǔn)電流。

1.2 刺激脈沖產(chǎn)生電路

刺激脈沖產(chǎn)生電路如圖2所示，通過將兩級電流鏡級聯(lián)以產(chǎn)生較大的電流放大倍數(shù)，圖中M4～M6組成一級電流鏡[5]，對輸入?yún)⒖茧娏鲝?fù)制疊加，M5,M6為NMOS電流阱與M7PMOS電流源形成組合電流源，M7～M11組成雙路多檔電流鏡，兩級電流鏡利用多個開關(guān)管控制達(dá)到可調(diào)幅度范圍大且步長可調(diào)的目的。

圖2 兩級電流鏡

M1控制整個電路的開斷，當(dāng)S0為高電位時，M1導(dǎo)通，在忽略溝道調(diào)制效應(yīng)的情況下，有

(6)

因此，當(dāng)M2,M4,M6的寬長比成比例時

ID7=K1IREF+K2IREF

(7)

同理，可得

Iout1=Iout2=K3ID7+K4ID7

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疊加后的電流通過由PWM信號[6]控制的H橋電路[7]輸出，即可得到頻率、占空比可調(diào)的雙極性脈沖信號，如圖3所示。PWM信號由單片機(jī)(micro-programmed control unit,MCU)提供，可以產(chǎn)生幅度一定且周期可調(diào)的信號，電阻R為兩電極之間神經(jīng)組織的模擬電阻。

圖3 雙極性脈沖產(chǎn)生電路

當(dāng)PWM0與PWM1為周期和脈寬相等且脈寬不重疊的方波信號時，如圖4所示，M1和M4,M2和M3的柵極受高低電壓交替控制，兩條通路交替導(dǎo)通，經(jīng)由兩電極傳輸，形成雙極性雙相脈沖信號。

圖4 PWM信號

通過調(diào)整PWM信號的周期可以控制開關(guān)管開關(guān)的頻率，從而控制輸出的雙極性脈沖信號的頻率；通過調(diào)整PWM信號的脈沖寬度，控制輸出雙極性脈沖信號的脈沖寬度，從而控制脈沖信號的占空比。

1.3 整體電路

集成雙極性神經(jīng)刺激脈沖發(fā)生器電路如圖5所示。首先通過帶隙基準(zhǔn)電流源產(chǎn)生5 μA和10 μA基準(zhǔn)電流作為電路的參考電流供電流鏡復(fù)制疊加，因?yàn)楫a(chǎn)生的脈沖信號的可調(diào)范圍大且步幅可調(diào)，所以通過開關(guān)管M0和M1的開斷來選擇在小電流時以5 μA的基準(zhǔn)電流輸入，大電流時以10 μA或15 μA的基準(zhǔn)電流輸入，來提高刺激電流脈沖的精度。兩級電流鏡分別分為4檔和6檔，每檔電流以2倍遞增，通過開關(guān)管控制實(shí)現(xiàn)電流的大幅度可調(diào)。本文所用的PWM信號是幅度為3.3 V的方波信號，為保證H橋的開關(guān)管M36～M39能導(dǎo)通，即VGS≥VTH，所以,將PWM信號先經(jīng)兩級級聯(lián)反相器抬高電平，再接入到開關(guān)管的柵極作開關(guān)管開關(guān)信號。

圖5 雙極性神經(jīng)刺激脈沖發(fā)生器整體電路

2 仿真結(jié)果與分析

本文基于SMIC 0.18 μm工藝，利用Cadence Spectre EDA工具，對電路進(jìn)行設(shè)計仿真驗(yàn)證。電源電壓為5 V，在-40～100 ℃溫度范圍內(nèi)，對帶隙基準(zhǔn)電流源進(jìn)行直流仿真，得到的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 5 μA溫漂曲線(上)與10 μA溫漂曲線(下)

由圖6可見，在-40～100 ℃溫度范圍內(nèi)，5 μA溫漂曲線的最高電流值Imax為5.008 56 μA，最低電流值Imin為5.004 78 μA，平均電流值Imean為5.007 35 μA；10 μA溫漂曲線的最高電流值為9.991 97 μA，最低電流值為9.981 53 μA，平均電流值為9.988 49 μA。

由溫漂系數(shù)公式

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可得，5 μA的溫漂系數(shù)為5.38×10-6/℃，10 μA的溫漂系數(shù)為7.46×10-6/℃。

本文設(shè)計的集成雙極性神經(jīng)刺激脈沖發(fā)生器能產(chǎn)生幅度、頻率和占空比可調(diào)的雙極性脈沖。幅度通過控制多檔電流鏡開關(guān)管控制，頻率和占空比通過調(diào)節(jié)PWM信號控制。圖7為產(chǎn)生的不同振幅、頻率、占空比的雙極性脈沖信號。

圖7 不同幅度、頻率和占空比的脈沖信號

圖7(a)為電路產(chǎn)生的幅度A=10.27 mA，頻率f=100 Hz，頻帶寬度PW=1 ms(即占空比為0.1)的雙極性脈沖信號；圖(b)為電路產(chǎn)生的幅度A=11.9 μA，頻率f=100 Hz，頻帶寬度PW=1 ms(即占空比為0.1)的雙極性脈沖信號；圖(c)為電路產(chǎn)生的幅度A=10.27 mA，頻率f=2 000 Hz，頻帶寬度PW=20 μs(即占空比為0.04)的雙極性脈沖信號；圖(d)為電路產(chǎn)生的幅度A=11.9 μA，頻率f=2 000 Hz，頻帶寬度PW=20 μs(即占空比為0.04)的雙極性脈沖信號。

表1為本文的集成雙極性神經(jīng)刺激脈沖發(fā)生器與其它文獻(xiàn)的參數(shù)比較。

表1 本文與其他文獻(xiàn)的參數(shù)比較

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種集成雙極性神經(jīng)刺激脈沖發(fā)生器。利用帶隙基準(zhǔn)電流源產(chǎn)生與溫度弱相關(guān)的基準(zhǔn)電流，再將基準(zhǔn)電流通過兩級多檔電流鏡復(fù)制疊加，并通過受PWM信號控制的H橋電路產(chǎn)生幅度、頻率、占空比皆可調(diào)的雙極性電流脈沖信號。仿真結(jié)果表明：當(dāng)電源電壓為5 V，在-40～100 ℃下，基準(zhǔn)電流溫漂系數(shù)為5.38×10-6/℃；產(chǎn)生的雙極性脈沖信號的幅度在11.9 μA～10.27 mA,頻率在1 Hz～2 kHz,脈沖寬度在20 μs～1 ms之間變化。該集成雙極性神經(jīng)刺激脈沖發(fā)生器適用于微型神經(jīng)刺激器。