CN114185385A - 一种用于神经刺激器的改进型指数波形电流产生电路 - Google Patents

一种用于神经刺激器的改进型指数波形电流产生电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于神经刺激器的改进型指数波形电流产生电路，基于CMOS工艺，将多个MOS晶体管进行设计组合，通过开关的逻辑控制，构建了泰勒级数逼近的指数电流输出。根据不同基准电流的初始值设置，扩大了指数电流的输出范围，且受到恒流源的充放电控制，使得晶体管的栅极电压发生变化，因此该电流具有随时间连续衰减的特点。此外，将该指数电流结构与电流型数模转换器结构相结合，使得指数电流输出范围扩展数倍，可以更好的应用于神经刺激器领域。这种指数电流输出的模数转换器电路结构简单，面积小，生成的指数电流是连续的，且输出范围大，控制端少，利于操作。

Description

一种用于神经刺激器的改进型指数波形电流产生电路
技术领域
本发明具体涉及一种用于神经刺激器的改进型指数电流产生电路的设计，属于集成电路技术领域。
背景技术
神经刺激集成电路对神经组织输送和汲取电荷，在刺激点引发动作电位，可以间接控制生物体的生命活动。目前神经刺激器已经占据多个医疗领域，例如癫痫的检测与抑制，人工视网膜假体，人工耳蜗，仿生神经链等。随着生物医疗芯片面积的缩小，可植入式的神经刺激器受到了广泛关注。然而，为了避免电路过热损伤神经组织，热能耗散成为了植入式的限制条件。降低电路热功耗的实质就是提高神经刺激器的功率效率。传统的恒定电流刺激波形是线性上升的，并且由于较大的电极阻抗，电源电压很大。这导致传统恒定电流模式的神经刺激器很难实现较高的功率效率。近年来，指数电流刺激的功用得到证实，在刺激期间可以保证电极电压是恒定的，这要求电路输出精准的且随时间连续衰减的指数电流。然而，目前的指数电流神经刺激器存在较大的误差，并且输出范围也小，难以适应更多的神经刺激应用。
本专利公开了一种用于神经刺激器的改进型指数电流产生电路，弥补了目前的指数电路神经刺激器的缺点，保证了指数波形电流精度，且电路结构更加稳定，输出范围更大。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提出一种用于神经刺激器的改进型指数电流产生电路，具有输出范围大，相对误差小和低功耗等特点，可以良好的应用于神经刺激器电路。
本发明的目的是通过如下的措施来达到的：
图1为指数电流产生电路的结构图。电路结构由两部分构成，第一晶体管(105)，第二晶体管(106)，第三晶体管(107)，第四晶体管(108)和第五晶体管(109)组成恒定电流组。其中第一晶体管(105)漏极和栅极均与第一恒定电流源(110)相连，第二晶体管(106)，第三晶体管(107)，第四晶体管(108)和第五晶体管(109)的栅极均与晶体管(105)的栅极相连。第二晶体管(106)的漏极与第三开关(115)相连，第三晶体管(107)的漏极与第四开关(116)相连，第四晶体管(108)的漏极与第五开关(117)相连，第五晶体管(109)的漏极与第六开关(118)相连。第一晶体管(105)，第二晶体管(106)，第三晶体管(107)，第四晶体管(108)和第五晶体管(109)的源极全部接地。
第六晶体管(100)，第七晶体管(101)，第八晶体管(102)，第九晶体管(103)和第十晶体管(104)组成衰减电流组。其中第六晶体管(100)漏极和栅极均与第二恒定电流源(111)相连，且与第一开关(113)相连，第一开关(113)的另一端不仅与第七晶体管(101)，第八晶体管(102)，第九晶体管(103)和第十晶体管(104)的栅极相连，还与第二开关(114)和电容(119)的一端相连，第二开关(114)的另一端和第三恒定电流源(112)相连。第七晶体管(101)的漏极与第三开关(115)相连，第八晶体管(102)的漏极与第四开关(116)相连，第九晶体管(103)的漏极与第五开关(117)相连，第十晶体管(104)的漏极与第六开关(118)相连。第六晶体管(100)，第七晶体管(101)，第八晶体管(102)，第九晶体管(103)和第十晶体管(104)的源极全部接地，第三恒定电流源(112)和电容(119)的另一端与地相连。第三开关(115)，第四开关(116)，第五开关(117)和第六开关(118)的另一端均与输出电流IOUT(120)相连。
第一恒定电流源(110)，第二恒定电流源(111)和第三恒定电流源(112)提供电流基准，通过第一开关(113)和第二开关(114)对电容(119)充放电。第三开关(115)、第四开关(116)、第五开关(117)和第六开关(118)控制数模转换器输出电流的大小，IOUT(120)是产生指数电流的输出端口。
生成指数电流的步骤如下：
初始时，第一开关(113)，第二开关(114)，第三开关(115)，第四开关(116)，第五开关(117)和第六开关(118)均处于断开状态，当第一开关(113)闭合，第一恒定电流源(110)和第二恒定电流源(111)分别向恒定电流组和衰减电流组提供基准；
(2)根据不同的应用确定所需电流的输出范围，可利用第三开关(115)，第四开关(116)，第五开关(117)和第六开关(118)控制初始输出电流IOUT(120)的大小；
(3)第一开关(113)断开，由于电容(119)储存了电荷，衰减电流组的第七晶体管(101)，第八晶体管(102)，第九晶体管(103)和第十晶体管(104)的栅极电压保持不变；
(4)当第二开关(114)闭合，电容(119)上存储的电荷通过第三恒定电流源(112)的通路流失，第七晶体管(101)，第八晶体管(102)，第九晶体管(103)和第十晶体管(104)的栅极电压随时间不断下降，此时输出电流IOUT(120)，即为随时间连续衰减的指数电流。
有益效果
针对指数电流输出的神经刺激器，本发明的指数电流产生电路具有更大的输出范围。将其应用在神经刺激器中，可以提高功率效率，保证电极电压的稳定，同时由于更大的输出范围，延长了刺激脉冲的脉冲宽度，可以保证神经刺激器稳定的工作在更多的医疗领域。
附图说明
图1为用于神经刺激器的改进型指数电流产生电路的电路图：用以产生随时间指数衰减的电流
具体实施方式
图1为指数电流产生电路的结构图。其中：100-104为衰减电流组晶体管，105-109为恒定电流组晶体管，110-112为不同电流基准的恒定电流源，113-118为晶体管开关，119为电容，120为电路的电流输出IOUT。
电路结构由两部分构成，第一晶体管(105)，第二晶体管(106)，第三晶体管(107)，第四晶体管(108)和第五晶体管(109)组成恒定电流组。其中第一晶体管(105)漏极和栅极均与第一恒定电流源(110)相连，第二晶体管(106)，第三晶体管(107)，第四晶体管(108)和第五晶体管(109)的栅极均与第一晶体管(105)的栅极相连。第二晶体管(106)的漏极与第三开关(115)相连，第三晶体管(107)的漏极与第四开关(116)相连，第四晶体管(108)的漏极与第五开关(117)相连，第五晶体管(109)的漏极与第六开关(118)相连。第一晶体管(105)，第二晶体管(106)，第三晶体管(107)，第四晶体管(108)和第五晶体管(109)的源极全部接地。
第六晶体管(100)，第七晶体管(101)，第八晶体管(102)，第九晶体管(103)和第十晶体管(104)组成衰减电流组。其中第六晶体管(100)漏极和栅极均与第二恒定电流源(111)相连，且与第一开关(113)相连，第一开关(113)的另一端不仅与第七晶体管(101)，第八晶体管(102)，第九晶体管(103)和第十晶体管(104)的栅极相连，还与第二开关(114)和电容(119)的一端相连，第二开关(114)的另一端和第三恒定电流源(112)相连。第七晶体管(101)的漏极与第三开关(115)相连，第八晶体管(102)的漏极与第四开关(116)相连，第九晶体管(103)的漏极与第五开关(117)相连，第十晶体管(104)的漏极与第六开关(118)相连。第六晶体管(100)，第七晶体管(101)，第八晶体管(102)，第九晶体管(103)和第十晶体管(104)的源极全部接地，第三恒定电流源(112)和电容(119)的另一端与地相连。第三开关(115)，第四开关(116)，第五开关(117)和第六开关(118)的另一端均与输出电流IOUT(120)相连。具体的指数电流产生方式如下：
(1)初始时，第一开关(113)，第二开关(114)，第三开关(115)，第四开关(116)，第五开关(117)和第六开关(118)均处于断开状态，当第一开关(113)闭合，第一恒定电流源(110)和第二恒定电流源(111)分别向恒定电流组和衰减电流组提供基准；
(2)根据不同的应用确定所需电流的输出范围，可利用第三开关(115)，第四开关(116)，第五开关(117)和第六开关(118)控制初始输出电流IOUT(120)的大小，此时输出电流IOUT如下所示(这里选择电流输出倍数为1，IB1和IB2分别为第一恒定电流源(110)和第二恒定电流源(111)的基准电流，IOUT(0)为初始状态下的输出电流)：
IOUT(0)＝IB1+IB2
将IB1和IB2用工作在饱和区的NMOS第七晶体管(101)和第二晶体管(106)的电流电压方程代替可以得到(Vthn是所有晶体管的开启电压，Vgs106和Vgs101分别是第二晶体管(106)和第七晶体管(101)的栅极电压，Vgs106和Vgs101的取值均大于Vthn)(β是晶体管的特征参数，在其表达式中，μn是电子的迁移率，Cox是单位氧化层电容，W/L是晶体管的宽长比。对于同一工艺下，μnCox的乘积是固定的，宽长比W/L是设计过程中的自定参数，不同晶体管的宽长比W/L是不尽相同的)：
Figure BDA0003341458610000051
Figure BDA0003341458610000052
(3)第一开关(113)断开，由于电容(119)储存了电荷，第七晶体管(101)，第八晶体管(102)，第九晶体管(103)和第十晶体管(104)的栅极电压保持不变；
(4)第二开关(114)闭合，电容(119)上存储的电荷通过第三恒定电流源(112)流失，第七晶体管(101)，第八晶体管(102)，第九晶体管(103)和第十晶体管(104)的栅极电压随时间不断下降，此时输出电流IOUT(120)为(IB3为第三恒定电流源(112)输出的基准电流，C是电容(119)的电容值，t是电容(119)的放电时间：
Figure BDA0003341458610000053
第一恒定电流源(110)和第二恒定电流源(111)的基准电流IB1和IB2是不一致的，需要保证IB2是大于IB1的，两者均为恒定的常数：
Figure BDA0003341458610000054
Figure BDA0003341458610000055
由于第七晶体管(101)和第二晶体管(106)的特征参数β完全一致。我们可以得出结论Vgs106和Vgs101的差值也是个常数，将这个常数假定为A(Vgs106和Vgs101分别是第二晶体管(106)和第七晶体管(101)的栅极电压):
Vgs101＝Vgs106+A
并带入最终的输出电流公式可以得到：
Figure BDA0003341458610000061
这样我们在电流输出端IOUT(120)就可以得到随时间指数衰减的电流。
实施例1
根据前述发明内容，通过应用台湾积体电路制造股份有限公司(TSMC)提供的180nm工艺，在Cadence中进行了电路结构的搭建，通过仿真手段验证了上述结构的设计具有较高的可行性。
电路的仿真结构根据图一而搭建，仿真的时序步骤与权利要求书中一致，在电路的输出端IOUT(120)持续监测输出电流。对输出波形进行数据点采集，以第二开关(114)闭合为采集起点，以10μs的时间间隔采集输出电流数据，时间宽度可以根据电容(119)和第三恒定电流源(112)的放电时间计算得到。将电流输出波形导出为CSV文件，在MATLAB软件中还原输出波形。同样进行对比的还有理想的指数衰减波形，之后计算实际输出波形和理想电流曲线的相对误差，在1.2ms范围中，测得指数波形的相对误差小于6％。
对比结果发现，本发明的电路结构具有良好的稳定性，在保证指数电流精度的情况下，可以输出更大的范围。

Claims (5)

1.一种用于神经刺激器的改进型指数波形电流产生电路，其特征在于:电路结构由两部分构成，第一晶体管(105)，第二晶体管(106)，第三晶体管(107)，第四晶体管(108)和第五晶体管(109)组成恒定电流组；第六晶体管(100)，第七晶体管(101)，第八晶体管(102)，第九晶体管(103)和第十晶体管(104)组成衰减电流组；
其中第一晶体管(105)漏极和栅极均与第一恒定电流源(110)相连，第二晶体管(106)，第三晶体管(107)，第四晶体管(108)和第五晶体管(109)的栅极均与晶体管(105)的栅极相连；第二晶体管(106)的漏极与第三开关(115)相连，第三晶体管(107)的漏极与第四开关(116)相连，第四晶体管(108)的漏极与第五开关(117)相连，第五晶体管(109)的漏极与第六开关(118)相连；第一晶体管(105)，第二晶体管(106)，第三晶体管(107)，第四晶体管(108)和第五晶体管(109)的源极全部接地；
第六晶体管(100)，第七晶体管(101)，第八晶体管(102)，第九晶体管(103)和第十晶体管(104)组成衰减电流组；其中第六晶体管(100)漏极和栅极均与第二恒定电流源(111)相连，且与第一开关(113)相连，第一开关(113)的另一端不仅与第七晶体管(101)，第八晶体管(102)，第九晶体管(103)和第十晶体管(104)的栅极相连，还与第二开关(114)和电容(119)的一端相连，第二开关(114)的另一端和第三恒定电流源(112)相连；第七晶体管(101)的漏极与第三开关(115)相连，第八晶体管(102)的漏极与第四开关(116)相连，第九晶体管(103)的漏极与第五开关(117)相连，第十晶体管(104)的漏极与第六开关(118)相连；第六晶体管(100)，第七晶体管(101)，第八晶体管(102)，第九晶体管(103)和第十晶体管(104)的源极全部接地，第三恒定电流源(112)和电容(119)的另一端与地相连；第三开关(115)，第四开关(116)，第五开关(117)和第六开关(118)的另一端均与输出电流IOUT(120)相连。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：电路中所有晶体管均为NMOS晶体管，因此输出电流IOUT(120)是吸电流，或者所有晶体管替换为PMOS晶体管，输出电流IOUT(120)即可变成灌电流。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：第三恒定电流源(112)比第一恒定电流源(110)和第二恒定电流源(111)小几个数量级。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：第一开关(113)，第二开关(114)，第三开关(115)，第四开关(116)，第五开关(117)和第六开关(118)均为晶体管开关，根据栅极电压控制开启和关断。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：恒定电流组和衰减电流组中，上下相对应的晶体管，第一晶体管(105)和第六晶体管(100)，第二晶体管(106)和第七晶体管(101)，第三晶体管(107)和第八晶体管(102)，第四晶体管(108)和第九晶体管(103)，第五晶体管(109)和第十晶体管(104)，其尺寸和物理参数完全一致。
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