0 引言

人工耳蝸是幫助傳感性耳聾患者恢復聽覺的一種電子裝置，它把外部的聲音轉換為聽神經(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成：（1）語音處理器，按照一定的算法將聲音轉換成適當?shù)碾娦盘?；?）傳輸系統(tǒng)，用來將電信號和體內電路所需的能量從體外傳送到體內；（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植入耳內。

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)生音調感覺；此后，受到電極陣列技術條件和無法實現(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80年代，電極技術有了較大突破，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計技術也有了很大的進步，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)的體內刺激電路。

1 芯片結構和功能

植入刺激電路的結構如圖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）接收線圈負責接收體外線圈發(fā)射的調制信號；（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)壓器負責產(chǎn)生3.3V的常壓電源Vdd給其他常壓模塊供電；（5）上電復位電路負責在低壓降穩(wěn)壓器輸出到一定電位時產(chǎn)生復位信號，控制數(shù)字模塊復位，進入工作狀態(tài)；（6）數(shù)據(jù)時鐘恢復模塊將線圈接收到的信號進行處理，解調出數(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)字控制模塊負責從數(shù)據(jù)時鐘恢復模塊恢復出的數(shù)據(jù)信號中提取出關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），控制開關陣列和數(shù)模轉換電路；（8）常壓帶隙基準源負責產(chǎn)生數(shù)模轉換電路所需要的0.9V參考電壓；（9）12位數(shù)模轉換電路根據(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）壓控電流源負責根據(jù)數(shù)模轉換電路的控制電壓產(chǎn)生精確的刺激電流；（11）開關陣列根據(jù)數(shù)字控制模塊提取出的電極序號選通待刺激的電極，并維持相應的刺激時間。

體內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，采用相應的高壓工藝進行設計；使用常壓電源的模塊為常壓模塊，采用常壓工藝進行設計。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 關鍵模塊電路實現(xiàn)

2.1 帶隙基準源

植入刺激電路中有高壓和常壓兩個帶隙基準源，二者均采用了傳統(tǒng)的帶隙結構，其核心電路如圖2所示。通過雙極型晶體管VBe的負溫度系數(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)生與溫度無關的基準電壓，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構。常壓帶隙基準源要給數(shù)模轉換電路提供穩(wěn)定的有驅動能力的參考電位，因此在基準源的輸出端根據(jù)數(shù)模轉換電路的精度，等效電容，刺激速率要求設計完成了兩級密勒補償?shù)木彌_器，用以驅動數(shù)模轉換電路。

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)機設計，在不同的狀態(tài)下生成相應的控制信號。它以數(shù)據(jù)時鐘模塊恢復出的時鐘為工作時鐘，將數(shù)據(jù)時鐘模塊恢復出的數(shù)據(jù)進行譯碼，提取出刺激強度控制數(shù)模轉換電路，提取出刺激維持時間、刺激電極序號控制開關陣列。本設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。該部分電路采用標準AsIC設計流程，規(guī)模約1500門，功耗730μW＠10MHz。

圖3 指令幀格式

2.3 數(shù)模轉換電路

12位數(shù)模轉換電路采用分段電容結構，如圖4所示。為了提高數(shù)模轉換電路電容陣列的匹配性，該數(shù)模轉換電路采用左右兩個對稱的電容陣列組成，為減小電路轉換的毛刺幅度，提高線性度，高三位使用溫度計編碼，數(shù)模轉換電路的參考電平由基準源提供。

圖4 數(shù)模轉換電路

2.4 壓控電流源電路

該部分由滿足數(shù)模轉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組成的負反饋保證電阻r（本設計中r為外接電阻，以方便對該電路的測試以及調節(jié)刺激電流的大?。┥系碾妷簽閿?shù)模轉換電路的輸出，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構，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)模轉換電路輸出電壓很小時運放仍然正常工作。

2.5 開關陣列電路

開關陣列結構示意圖如圖6所示。本設計中電極共有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來控制刺激電流方向，刺激維持時間以及選通電極。比如，當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)模轉換電路控制的電流，而當elVen2和elAen1閉合時，電流由電極el2流向el1。這樣，通過開關陣列，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)模混合電路，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，然后在此基礎上進行了完整功能的測試。帶隙基準源電路輸出穩(wěn)定的1.222V電壓，基準的平均偏差（5片）為0.082％，片間偏差最大為0.82％，電壓調整率為1838mV／V。數(shù)字控制模塊、數(shù)模轉換電路、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 結論

本文設計了一種專用于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，指標滿足設計的要求。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，無電流刺激時電極通過開關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，當數(shù)據(jù)奇偶校驗錯誤時，會放棄當前接受到的數(shù)據(jù)，繼續(xù)進行下一幀數(shù)據(jù)的處理。