CN1600285A - 数字式电子人工耳专用集成电路芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种数字式电子人工耳专用集成电路芯片，属于集成电路技术领域。该集成电路芯片包括控制逻辑电路及与其相连的时钟、数据分离电路，反向数据传输电路，电源电压监测电路，开关矩阵，数模转换电路；与该时钟、数据分离电路相连的波形校正电路，连接在该数模转换电路与开关矩阵之间的由三个压控电流源构成的压控电流源组，向该数模转换电路和压控电流源组提供稳压输出的参考电压源，以及分别向所述各电路提供电源电压的电源电压电路；其中，该开关矩阵提供多个电极接口和1个公共电极接口。本发明能提供多种工作模式，具有高集成度、高可靠性、低功耗的特点。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，特别涉及人工耳蜗系统中植入电路的核心部件设计。
背景技术
临床上把耳聋分为传导性耳聋和传感性耳聋。外耳或中耳的声音传输通道受到损坏或功能性退化是造成传导性耳聋的主要原因，在现代医学中可以用替换中耳听小骨或类似的手术修复。传感性耳聋则是由于内耳发生的病变造成的。医学上把听阈在90分贝以上的患者统称为全聋患者，研究表明，大部分患者全聋的原因是由于毛细胞的损失而不是听神经的功能衰退。残留听神经的存在，为电子耳技术用电流直接刺激听神经奠定了基础。对于全聋患者来说，由于把声音的机械振动转换成神经的电脉冲的生物机制已被破坏，恢复听力的唯一方法是直接用电脉冲刺激听觉神经。电子人工耳系统是用于治疗传感性耳聋的一种医疗电子仪器，其功能为代替患者完成声—电转换，用携带声音信息的电脉冲直接刺激患者的听神经，令患者产生与原声音频率基本一致的声音感觉，从而达到使患者恢复听力的目的。它是全聋患者恢复听觉的唯一途径，因而研制多通道电子人工耳系统及相应的专用集成电路芯片具有重要的社会意义，将为残疾人的康复事业做出巨大的贡献。
电子人工耳专用集成电路芯片是电子人工耳系统的重要组成部分。由于电子人工耳系统所允许的体内部分的体积十分有限，因而只能利用集成电路技术来实现其中绝大部分的电路。体内电路的集成化还可以节省功耗，提高电路的稳定性，这些对于成功的电子耳系统都是必不可少的。目前已有的电子人工耳专用集成电路技术包括单通道技术以及模拟多通道技术。单通道技术由于刺激模式单一，造成语音识别率较低，临床应用效果不好。而模拟多通道技术又具有传输电路抗噪声性能差、稳定性差、电路复杂、实现困难等缺点。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计了一种数字式电子人工耳专用集成电路芯片，本发明能提供多种工作模式，具有高集成度、高可靠性、低功耗的特点。
本发明设计的一种数字式电子人工耳专用集成电路芯片，其特征在于，包括控制逻辑电路及与其相连的时钟、数据分离电路，反向数据传输电路，电源电压监测电路，开关矩阵，数模转换电路；与该时钟、数据分离电路相连的波形校正电路，连接在该数模转换电路与开关矩阵之间的由三个压控电流源构成的压控电流源组，向该数模转换电路和压控电流源组提供稳压输出的参考电压源，以及分别向所述各电路提供电源电压的电源电压电路；其中，该开关矩阵提供多个电极接口和1个公共电极接口。
上述各电路均可采用常规的集成电路技术实现。
本发明的特点及效果：
本发明提供多个普通电极和1个公共电极通道。电刺激能在任意两个普通电极之间，或是在任一个普通电极与公共电极间产生。
本发明可提供不同的工作模式，包括：单电极顺序刺激模式、双电极顺序刺激模式、单电极准同时刺激模式、双电极准同时刺激模式、反向数据传输模式等。在反向数据传输模式下，芯片应能够测量任两个电极间的电阻、窜扰以及电源电压等重要的内部参数。
本发明具有高集成度、高可靠性、低功耗的特点。
附图说明
图1是采用本发明的集成电路芯片的电子人工耳系统结构示意图。
图2是本发明集成电路芯片的结构示意图。
图3是本发明集成电路芯片的时钟、数据分离电路原理图。
图4是本发明集成电路芯片的刺激电流产生电路原理图。
图5是本发明集成电路芯片的压控电流源电路原理图。
图6是本发明集成电路芯片的开关矩阵电路原理图。
图7是本发明集成电路芯片的芯片数字电路模块图。
具体实施方案
本发明设计的一种数字式电子人工耳专用集成电路芯片结合附图及实施例详细说明如下：
本集成电路芯片的结构如图2中黑色方框内部所示。包括：控制逻辑电路及与其相连的时钟、数据分离电路，反向数据传输电路，电源电压监测电路，开关矩阵，数模转换电路；与该时钟、数据分离电路相连的波形校正电路，连接在该数模转换电路与开关矩阵之间的压控电流源组(由三个压控电流源构成)，以及向该数模转换电路和压控电流源组提供稳压输出的参考电压源；与芯片外部整流滤波电路相连的电源电压电路；其中，本该开关矩阵提供多个电极接口(例如本实施例为16个普通电极接口)和1个公共电极接口。整个芯片为数模混合电路。其中控制逻辑电路为数字电路，其余各电路均为模拟电路。
该芯片的工作原理为：基带数据进入芯片内部以后，先经过波形校正电路进行波形校正，得到较好的数字信号，然后经时钟、数据分离电路从中分离出数据和时钟。此时钟即作为整个芯片的系统时钟。控制逻辑电路为芯片的数字部分。它将根据所接收到的数据产生所有其它模块所需的控制信号，包括：输出刺激强度信号到10比特数模转换电路而转换成模拟电压，再通过压控电流源组产生刺激电流；输出刺激位置信号到开关矩阵从而控制在哪两个电极之间进行刺激。电源电压电路产生12V和5V电源电压分别供芯片内模拟电路和数字电路使用。为了保证芯片能正常工作，模拟部分电路还包含了参考电压源电路与电源电压检测电路。参考电压源电路产生高稳定度的模拟5V电源，为数模转换器以及其它无需高电压的电路模块供电。电源电压检测模块能够实时地监测电源电压的变化情况，当电源电压低于8V时，该模块输出一个告警信号。在这个信号的作用下，芯片禁止输出，并复位。
本发明上述各电路的具体组成实施例及其功能分别说明如下：
本实施例的波形校正电路由一个迟滞性比较器构成。芯片所接收到的基带PWM信号是带有很多毛刺的信号。经过波形校正以后，可以得到好得多的数字信号。
时钟、数据的分离电路由一个单稳态触发器与一个D触发器组成，波形校正电路的输出分别连接到单稳态触发器的输入端和D触发器的数据输入端，单稳态触发器的输出连接到D触发器的时钟输入端，如图3所示。它可以从PWM基带数字信号中分离出时钟信号与数据信号，单稳态触发器输出的就是时钟信号而D触发器输出的就是数据信号。
芯片的核心电路是它的刺激电流产生电路单元。该单元包括图2中的三个电路：数模转换电路、压控电流源组和开关矩阵。它们接受芯片控制逻辑电路(数字部分)的控制，可以在正确的位置(正确的电极)、正确的时序产生所需的电流刺激。该刺激电流产生电路单元的实施例如图4所示，刺激电流产生电路的三个压控电流源共用一个数模转换电路。通过控制开关，可以将数模转换电路的输出送到三个压控电流源上。每一个压控电流源的输入端接有保持电容。在相应的开关闭合期间，电容被充电。然后开关断开，数模转换电路可以用作其它数据的转换。压控电流源的输入电压由电容提供。通过采用这种公用数模转换电路的方案，可以大幅度减小整个芯片的功耗。
本实施例的数模转换电路具有10比特精度，可采用一种分压式转换方法与电荷分布式转换方法结合起来做成的数模转换器，其高四位用电阻分压式转换方法实现，低六位用电荷分布式转换方法实现。
本实施例的压控电流源，如图5所示，主要由一个大NMOS管M1来实现，另一个NMOS管M2作为负载与M1串联；另外，M2的源级与栅级之间、漏级与栅极之间以及M1的漏级与电源之间都接有模拟开关K1、K2、K3。通过控制信号En可以控制压控电流源的工作状态。图中所有的开关都在En为高电平时闭合。这样，当En为高电平时，电路等效为为一普通的压控电流源，能正常输出电流。当En为低电平时，开关打开，此时负载上无电流输出，而且压控电流源上几乎无电流，这就实现了省电工作。
本实施例的开关矩阵电路如图6所示。图中作为示意仅画出17个电极中的两个El1、El2。通过控制图中所示各模拟开关的闭合与打开来控制电流的位置、流向等。本实施例的三个压控电流源IA、IB、IC，由控制信号AEn、BEn、CEn选择使用哪个电流源来产生刺激电流。AEn、BEn、CEn中在任一时刻只能有一个信号有效(相应的开关闭合)，此时，由所选中的电流源控制输出电流的大小。控制信号El1VEn、El1AEn、El1BEn、El1CEn、El2VEn、El2AEn、El2BEn和El2CEn用来控制电流的位置及流向。
下面举例说明本实施例是如何通过这一结构工作的。例如，当控制信号AEn、El1VEn、El2AEn有效，其相应的开关闭合，其余开关均断开时，刺激电流由电极El1流向电极El2，且电流大小由电流源A控制。而当控制信号BEn、El2VEn、El1BEn有效时，电流由电极El2流向电极El1，大小由电流源B控制。这样，通过控制各个电流开关，很容易便实现了电极选择、电流方向控制及电流源选择。El1Idle、El2Idle开关用于将未被选中的开关短接以资泄放残存的不平衡电荷，提高系统的安全性。
参考电压源电路主要由带隙参考电压源构成，而电源电压检测模块由比较器实现。
本实施例的控制逻辑电路(数字电路)接收解码而得的时钟与数据，并籍此产生整块芯片所需的各种控制信号。具体来说，本芯片的控制逻辑电路应实现如下功能：
1、接收数据，并提供一帧数据的缓存能力。
2、对所接收到的数据进行有效性检验，放弃无效数据。
3、对诸如数据传输速率过高等异常情况进行合理的处置。
4、识别出不同的工作模式，并在各个不同的工作模式之间顺利地进行转换。
5、根据所接收到的数据，产生全部模拟部分电路所需的控制信号。
本实施例的控制逻辑电路具体结构如图7所示。包括，数据接收模块以及与其连接的控制模块和刺激产生模块；与刺激产生模块相连的开关矩阵模块、数据转换控制模块和反向数据传输模块；其中，数据接收模块也连接到数模控制转换模块，控制模块也连接到刺激产生模块和反向数据传输模块。
各模块根据其功能可以分为三类：一类完成数据接收并作初步的解释。此类模块包括图中的数据接收模块。第二类完成芯片内部的状态控制，这一类模块包括图中的刺激脉冲产生模块和控制模块。第三类直接为芯片的模拟部分提供控制信号。这一类模块包括开关矩阵模块、数模转换模块和反向数据传输模块，它们分别为相应的模拟电路模块提供控制信号。各模块的功能详细列于表1
表1
| 模块名称 | 模块功能 |
| 数据接收模块 | 接收数据，进行数据的有效性检验，识别不同的数据帧格式，对数据帧做出解释。 |
| 控制模块 | 控制芯片在各不同的工作模式之间顺利地进行转换。 |
| 刺激脉冲产生模块 | 提供数据缓存，进一步解释数据帧，为第三类模块的工作产生控制信号。 |
| 开关矩阵模块 | 产生模拟电路中的开关矩阵所需的控制信号。 |
| 数模转换模块 | 产生模拟电路中的数模转换模块所需的控制信号。 |
| 反向数据传输模块 | 产生模拟电路中的反向数据传输模块所需的控制信号。 |
根据上述各模块的功能要求，采用常规数字电路技术即可实现本发明的控制逻辑电路。
本实施例芯片的性能指标如下：
1、17个电极，包括16个普通电极和1个公共电极。电刺激应能在任意两个普通电极之间，或是在任一个普通电极与公共电极间产生。
2、电刺激为双相恒流电脉冲，且正负两相应保持良好的对称性，即进行刺激的两个电极间流过的电荷总量应近似为0。
3、为保证安全，当前不进行刺激的各电极应短接在一起，以泄放残余的电荷。
4、刺激电流大小变化范围为0～2mA，分1024级可调。每个电刺激的持续时间亦分64级可调。
5、通过修改控制逻辑电路中控制模块内的寄存器即可切换成不同的工作模式，包括：单电极顺序刺激模式、双电极顺序刺激模式、单电极准同时刺激模式、双电极准同时刺激模式、反向数据传输模式等。在反向数据传输模式下，芯片应能够测量任两个电极间的电阻、窜扰以及电源电压等重要的内部参数。
采用本发明的集成电路芯片的电子人工耳包含四个部分，如图1所示：
(1)话筒和声音处理器，话筒采集到声音信号后传输给语音处理器，语音处理器
将声音信号转换为适当的电信号。
(2)传输电路，将语音处理器输出的电信号从体外传到体内。
(3)植入电路，处理体外传入的电信号并产生刺激听神经的电脉冲。
(4)电极组，使植入电路产生的电脉冲直接刺激听觉神经。
其中，话筒、声音处理器和传输电路构成体外电路，植入电路与电极组构成体内电路。
本发明的数字式电子人工耳专用集成电路芯片是植入电路的核心部件。它的功能为：接收体外电路发射的无线电波，从中提取所需的能量、数据，并根据所接收到的数据完成相应的动作。芯片的主要功能是在两个电极间产生电脉冲，以刺激患者的听神经；另外，为临床调试的需要，芯片必须能够向体外传输体内的参数，如当前芯片的电源电压、电极间的电阻、窜扰等。
本发明的芯片外部的接收线圈电路、整流滤波电路和包络检波电路与芯片一起组成植入电路，如图2所示。接收线圈电路的输出连接到整流滤波电路和包络检波电路的输入端，整流滤波电路和包络检波电路的输出分别连接到芯片。植入电路的接收线圈隔着一层皮肤从体外接收到10M载频的信号，将其送至两路上。其中的一路送至整流滤波电路用以产生芯片所需的12V直流电压。另一路送至包络检波电路用以恢复出基带数据信号。基带数据是经过脉宽调制(PWM)的数字信号，自带时钟。
体外电路与体内电路采用异步串行通信方式通信。数据以“帧”为单位传输。每帧数据30比特或26比特不等。其中包含：起始位、刺激幅度位、电极选择位、奇偶校验位等。
本发明的芯片接到基带数据后，存于数据接收模块中，同时进行奇偶校验，若发现错误，则放弃该帧数据。若芯片当前空闲(无正在进行的刺激)，则从缓冲寄存器中取数据执行，并清空缓冲寄存器。若数据传输率过高，以至于出现了这样的情况：芯片的缓冲寄存器已满，而芯片还在忙于处理前一帧数据，此时，芯片又开始接收到了新一帧数据。在这种情况下，芯片将放弃缓冲寄存器中等待处理的数据，优先处理新到的数据。
Claims (2)
1、一种数字式电子人工耳专用集成电路，其特征在于，包括控制逻辑电路及与其相连的时钟、数据分离电路，反向数据传输电路，电源电压监测电路，开关矩阵，数模转换电路；与该时钟、数据分离电路相连的波形校正电路，连接在该数模转换电路与开关矩阵之间的由三个压控电流源构成的压控电流源组，向该数模转换电路和压控电流源组提供稳压输出的参考电压源，以及分别向所述各电路提供电源电压的电源电压电路；其中，该开关矩阵提供多个电极接口和1个公共电极接口。
2、如权利要求1所述的数字式电子人工耳专用集成电路，其特征在于，所述的控制逻辑电路包括：数据接收模块以及与其连接的控制模块和刺激产生模块；与刺激产生模块相连的开关矩阵模块、数据转换控制模块和反向数据传输模块；其中，数据接收模块也连接到数模控制转换模块，控制模块也连接到刺激产生模块和反向数据传输模块。
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