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需要的電刺激，將這種刺激通過植入電極刺激聽覺神經，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的電信號；（２）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生刺激聽神經的電脈沖；（４）電極（組），用來直接刺激聽覺神經。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［１］；到１９６０ 年ＦＢＳｉｍｍｏｎｓ等人［２］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，使患者可以產生音調感覺；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［３］，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［４］，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)［５］的植入刺激電路普遍采用數模混合專用集成電路設計實現(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)［６７］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。

 

 

圖１ 植入刺激電路結構示意圖

 

植入刺激電路通過接收線圈接收體外電路發(fā)射的信號，從中提取出數據和能量，并對數據解碼形成相應的脈沖刺激電流刺激聽神經。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１２ Ｖ 的高壓電源電壓ＶＣＣ；（３）高壓帶隙基準模塊產生低壓降穩(wěn)壓器使用的１２ Ｖ 參考電源電壓Ｖｒｅｆ； （４）低壓降穩(wěn)壓器負責產生３３ Ｖ 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生復位信號，控制數字模塊復位，進入工作狀態(tài)；（６）數據時鐘恢復模塊將線圈接收到的信號進行處理，解調出數字控制模塊所需的數據信號（ｄａｔａ）和時鐘信號（ｃｌｋ）； （７）數字控制模塊負責從數據時鐘恢復模塊恢復出的數據信號中提取出關于刺激電流的各種參數（刺激電極選擇、刺激維持時間、刺激強度等），控制開關陣列和數模轉換電路；（８）常壓帶隙基準源負責產生數模轉換電路所需要的０９ Ｖ 參考電壓；（９）１２ 位數模轉換電路根據數字控制模塊提取出的刺激強度產生控制壓控電流源的控制電壓； （１０）壓控電流源負責根據數模轉換電路的控制電壓產生精確的刺激電流；（１１）開關陣列根據數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，１２ Ｖ 高壓電源ＶＣＣ和３.３ Ｖ 常壓電源ＶＤＤ。使用１２ Ｖ 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［８］，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的正溫度系數相加產生與溫度無關的基準電壓，輸出電壓為