一种集成双极性神经刺激脉冲发生器的制作方法

本发明属于生物医疗电子器械技术领域，具体涉及一种集成双极性神经刺激脉冲发生器。

背景技术：

现有的单极性神经刺激脉冲发生器具有以下技术缺点：1)基于分离元件构建的神经刺激脉冲发生器体积较大，不能满足医疗器械小型化的要求；2)传统的神经刺激脉冲发生器可调范围小，不能激活所有神经元。例如部分神经类疾病需要高于20mA的刺激电流，还有些疾病需要低于100μA的刺激电流，一般的神经刺激脉冲发生器很难达到如此宽的可调幅度；3)传统的神经刺激脉冲发生器中用于产生频率、占空比和幅度可调脉冲的辅助电路(如基准电流源和镜像电流源等)的功耗较大。

本发明的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器，目前尚无相关的文献介绍，亦未搜索到相关的专利文件。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服以上技术缺陷，提供一种集成双极性神经刺激脉冲发生器。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种集成双极性神经刺激脉冲发生器，由微处理器(MCU)10，基准微电流源20、多档镜像微电流阱30、镜像微电流源40、多路多档镜像电流源50、脉冲宽度调制(PWM)电平提升电路60和H-桥70组成；其中，

所述微处理器10分别与所述基准微电流源20、多档镜像微电流阱30、多路多档镜像电流源50和PWM电平提升电路60连接；所述微处理器10主要产生多路开关控制信号和多路脉冲宽度调制(PWM)信号，至少包括输入/输出I/O口101和多路PWM口102；其中所述I/O口101产生的开关信号分别控制所述基准微电流源20、多档镜像微电流阱30和多路多档镜像电流源50的运行；所述多路PWM口102产生的多路PWM信号首先输出至所述PWM电平提升电路60进行电平提升，然后输送给所述H-桥70，控制其运行；

所述基准微电流源20还与所述多档镜像微电流阱30连接，且所述多档镜像微电流阱30是所述基准微电流源20的镜像电流源；所述多档镜像微电流阱30还与所述镜像微电流源40连接，且所述多档镜像微电流阱30与镜像微电流源40构成组合电流源；所述镜像微电流源40还与所述多路多档镜像电流源50连接，且所述多路多档镜像电流源50是所述镜像微电流源40的镜像电流源；

所述多档镜像微电流阱30和所述多路多档镜像电流源50的档位由所述I/O口101控制，且所述多档镜像微电流阱30的每档电流为所述20能产生基准电流的倍数；所述多路多档镜像电流源50每档电流为所述镜像微电流源40所产生电流的倍数；

所述多路多档镜像电流源50还与所述H-桥70连接，将其输出的电流输送给所述H-桥70。

所述刺激脉冲发生器的刺激电流脉冲的幅度(I_amp)范围为10μA～30mA，刺激电流步长为10μA/100μA/1000μA/2000μA五档可选。

所述刺激脉冲发生器的刺激脉冲的顺从电压范围为0～12V。

所述刺激脉冲发生器的刺激脉冲的频率(1/T)范围为1～1000H_Z，刺激频率步长1H_Z。

所述刺激脉冲发生器的刺激脉冲的脉宽(W)范围为1～1000Us，刺激脉宽步长1Us。

所述H-桥70输出频率、占空比和幅度可调的双极性神经刺激脉冲。

本发明的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器的使用方法：

首先，在所述微处理器(MCU)10中设置用于产生PWM的时钟频率以及与之相应计数器和寄存器的时间值，预置多路PWM的频率(1/T，1～1000H_Z)、脉宽(W，1～1000Us)和每两路PWM之间的死区时间(T_D，0.1～0.5Us)，并通过所述多路PWM口102输出多路PWM信号；其次，设置所述微处理器(MCU)的I/O口101的开关信号(S7～S0)，预置所述多档镜像微电流阱30的刺激电流步长(S7～S4，对应10μA/100μA/1000μA/2000μA)和所述多路多档镜像电流源50的刺激电流脉冲幅度(S3～S0，范围10μA～30mA)；最后，设置所述微处理器(MCU)的I/O口101的开关信号(S8)启动所述基准微电流源20运作，从而在所述H-桥70输出预置频率、占空比和幅度的双极性神经刺激脉冲。

本发明的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器具有如下优点和有益效果：

1)由于本发明的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器的所有组件均基于集成电路制造工艺集成，因此其体积较小；

2)由于本发明的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器具有多档可调的电流源，其刺激电流脉冲的幅度范围为10μA～30mA，因此具有脉冲幅度可调范围大的特点；

3)由于本发明的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器的基准微电流源20、多档镜像微电流阱30和镜像微电流源40等电路所消耗的电流很小，在μA级别，因此用于产生频率、占空比和幅度可调脉冲的辅助电路的功耗较小。

附图说明

图1为本发明的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器的组成示意框图。

图2为本发明的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器的组成连接示意图。

图3为本发明的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器中多路PWM口102产生的PWM信号(PWM00，PWM01)和H-桥70输出的神经刺激脉冲波形(NS+，NS+)图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和2所示，一种集成双极性神经刺激脉冲发生器，由微处理器(MCU)10，基准微电流源20、多档镜像微电流阱30、镜像微电流源40、多路多档镜像电流源50、脉冲宽度调制(PWM)电平提升电路60和H-桥70组成。

上述所有组件基于任意一种CMOS(如SMIC 0.18μm CMOS)工艺同时制造。

所述微处理器10主要产生多路开关控制信号和多路脉冲宽度调制(PWM)信号，至少包括输入/输出(I/O)口101和多路PWM口102。

所述基准微电流源20由CMOS中的NMOS管M₂₀₁、M₂₀₂和电阻R₂₀₁构成，其中M₂₀₁受所述I/O口101的一路开关信号(S₈)控制；

所述多档镜像微电流阱30由NMOS管M₃₀₁～M₃₀₈构成，其中M₃₀₁～M₃₀₄分别为M₂₀₂的镜像，且M₃₀₁～M₃₀₄的栅宽分别为M₂₀₂栅宽的1、10、100和200倍；M₃₀₅～M₃₀₈受所述I/O口101的四路开关信号(S₄～S₇)控制；

所述镜像微电流源40与多档镜像微电流阱30构成组合电流源，由NMOS管M₄₀₁构成；

所述多路多档镜像电流源50由两路相同的多档镜像电流源501和520构成；其中所述多档镜像电流源501由PMOS管M₅₀₁₁～M₅₀₁₄和NMOS管M₅₀₁₅～M₅₀₁₈构成，且M₅₀₁₁～M₅₀₁₄的栅宽分别为M₄₀₁栅宽的10、20、30和40倍；M₅₀₁₅～M₅₀₁₈受所述I/O口101的四路开关信号(S₃～S₀)控制。所述多路多档镜像电流源502由PMOS管M₅₀₂₁～M₅₀₂₄和NMOS管M₅₀₂₅～M₅₀₂₈构成，且M₅₀₂₁～M₅₀₂₄的栅宽分别为M₄₀₁栅宽的10、20、30和40倍；M₅₀₂₅～M₅₀₂₈受所述I/O口101的四路开关信号(S₃～S₀)控制；

所述脉冲宽度调制电平提升电路60由包括两个相同的PWM电平转移电路601和602构成，完成PWM信号的电平提升。其中所述PWM电平转移电路601由NMOS管M₆₀₁₁、M₆₀₁₂和电阻R₆₀₁₁、R₆₀₁₂组成的两级级联反相器构成；所述PWM电平转移电路602由NMOS管M₆₀₂₁、M₆₀₂₂和电阻R₆₀₂₁、R₆₀₂₂组成的两级级联反相器构成；

所述H-桥70为四个呈“H”形状的开关构成的H-桥电路，由NMOS管M₇₀₁～M₇₀₄组成；所述H-桥70输出频率、占空比和幅度均可调的双极性脉冲。

所述基准微电流源20与所述微处理器10和多档镜像微电流阱30连接。其中，电阻R₂₀₁一端与电源VDD连接，其另一端与M₂₀₁的漏极连接；M₂₀₁的栅极与所述I/O口101的S₈连接，其源极与M₂₀₂的漏极、栅极以及M₃₀₁～M₃₀₄的栅极连接；M₂₀₂的源极与接地；

所述多档镜像微电流阱30与所述微处理器10、基准微电流源20、镜像微电流源40和多路多档镜像电流源50连接。其中，M₃₀₁～M₃₀₄的源极分别接地；M₃₀₁～M₃₀₄的源极依次分别与M₃₀₅～M₃₀₈的源极连接；M₃₀₅～M₃₀₈的栅极依次分别与所述I/O口101的S₄～S₇连接；M₃₀₅～M₃₀₈的漏极相互连接，并与M₄₀₁的漏极和栅极以及M₅₀₁₁～M₅₀₁₄，M₅₀₂₁～M₅₀₂₄的栅极连接；

所述镜像微电流源40与所述多档镜像微电流阱30和多档镜像电流源501、502连接。其中，M₄₀₁的源极与电源VDD连接；

所述多档镜像电流源501和502还与所述H-桥70连接，为其提供电流；其中，M₅₀₁₁～M₅₀₁₄，M₅₀₂₁～M₅₀₂₄的源极均与电源VDD连接；M₅₀₁₁～M₅₀₁₄M₅₀₂₁～M₅₀₂₄的漏极依次分别与M₅₀₁₅～M₅₀₁₈M₅₀₂₅～M₅₀₂₈的漏极连接；M₅₀₁₅～M₅₀₁₈和M₅₀₂₅～M₅₀₂₈的栅极依次分别与所述I/O口101的S₀～S₃连接；M₅₀₁₅～M₅₀₁₈的源极相互连接，并与H-桥70中M₇₀₁的漏极连接；M₅₀₂₅～M₅₀₂₈的源极相互连接，并与H-桥70中M₇₀₃的漏极连接；

所述PWM电平转移电路601和602还与所述H-桥70连接；其中，M₆₀₁₁、M₆₀₁₂、M₆₀₂₁、M₆₀₂₂的源极与电源地连接；M₆₀₁₁的栅极与多路PWM口102的一路PWM信号(PWM00)连接；M₆₀₂₁的栅极与多路PWM口102的另一路PWM信号(PWM01)连接；M₆₀₁₁的漏极与M₆₀₁₂的栅极连接；R₆₀₁₁的一端与R₆₀₁₂的一端连接，其另一端与M₆₀₁₁的漏极相连；R₆₀₁₂的另一端与M₆₀₁₂的漏极相连；M₆₀₁₂的漏极与H-桥70中M₇₀₁的栅极连接；所述PWM电平转移电路中个元件的连接方法与所述PWM电平转移电路601对应元件相同；

所述H-桥70输出频率、占空比和幅度可调的双极性神经刺激脉冲(NS+，NS-)；其中M₇₀₂、M₇₀₄的源极接地；M₇₀₂、M₇₀₄的漏极分别与M₇₀₁、M₇₀₃的源极连接；M₇₀₂、M₇₀₄的栅极分别与M₇₀₃、M₇₀₁的栅极以及M₆₀₁₂、M₆₀₂₂的漏极连接。图3为图2中多路PWM口102产生的PWM信号(PWM00，PWM01)和H-桥70输出的神经刺激脉冲波形(NS+，NS+)图。

本实施例基于CMOS工艺构造，具有体积小、刺激脉冲可调幅度范围大和辅助电路功耗低等特点。任何熟悉本领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的等效改变和变形，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。