一种神经肌肉电刺激电路的制作方法

1.本发明涉及电刺激领域，尤其涉及一种神经肌肉电刺激电路。


背景技术：

2.在神经科学的研究工作以及诸如癫痫等神经性疾病的治疗中，对生物体的神经、肌肉等组织进行电刺激是一种重要的研究工具和治疗手段。根据输出模式的不同电刺激主要分为两类：恒压刺激模式和恒流刺激模式。现代所用到的电刺激设备大都采用恒流模式,这种恒流脉冲工作模式的优点在于其在刺激电路面对不同的生物阻抗的情况下，仍能够精确地实现刺激过程中各相位的注入电荷控制以及保持刺激结束后的电荷平衡。相比于恒压模式面对不同生物阻抗的电流不确定性，恒流模式极大的保证了电刺激过程中的生物体的安全。但是传统恒流脉冲模式电路有一个主要的缺点：电源能量利用效率低，如图1所示：在固定的电源电压vddh下，恒定刺激电流流过生物阻抗会产生小于电源电压vddh的电压ve，vddh和ve之间的电压差voh所产生的功耗以电路发热的形式损耗流失，未传输至目标生物负载。voh越大电路能量效率越低，传统的提升恒流模式刺激电路的解决方案有两种：一、监控ve大小动态调整vddh的数值，二、在固定vddh下动态调节ve使其接近vddh。两种方法本质均是降低电压差voh。方法二会影响电刺激的生物学响应效果，所以电路设计上一般采用方法一来降低voh提升能量效率。如图2所示，使用dc-dc和电荷泵电路设计方法来动态调节vddh，但其每个通道均需要多个外部电感或电容元件，在多通道设计应用时这种方法会极大增加系统尺寸，因此此类方法不适用于多通道刺激应用。如图3所示，采用了多通道适用的vddh动态调节方法，但其多通道的电源电压vddh只能一起调节，不能分别对每个通道的电源电压vddh进行优化进而最大限度提升整个刺激电路的能量利用效率。因此，现有技术还有待改进和提高。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是提供一种神经肌肉电刺激电路，解决现有的恒流电刺激电路不能实现多通道电源电压独立调节的问题。
4.本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种神经肌肉电刺激电路，包括n级电源发生器、多路电源选择器、恒流发生器和周边电路，所述n级电源发生器输出n路电源电压到多路电源选择器，所述多路电源选择器在n级电源发生器输入的n路电源电压及电源地中，选择电源电压连接到恒流发生器成为一个刺激通道的输出电压；对多个刺激通道的输入电压对应选择电源电压；实现多个刺激通道的不同电压的恒流输出。
5.进一步地，所述n级电源发生器为基于开关电容的n-1级电荷泵，所述n级电源发生器包括n-1个串联连接的开关电容，每一个开关电容即为一个电荷泵，在第一个开关电容的输入端连接输入电源电压vdd，每一个开关电容的自身的输出电压比其自身的输入电压增加vdd，将串联连接的各级开关电容的输出电压以及输入电源电压引出，得到n个电压值逐级递增vdd的n路电源电压vdd-nvdd。
6.进一步地，所述多路电源选择器包括多个选择单元电路，每个所述选择单元电路包括三个n型晶体管mn1、mn2和mn3和三个p型晶体管mp1、mp2和mp3；p型晶体管mp2的源级连接到n型晶体管mn2的漏极并从连接端输出x1连接到p型晶体管mp1的漏极，p型晶体管mp2的栅极连接到n型晶体管mn2的栅极并从连接端连接输入hs1；p型晶体管mp3的源级连接到n型晶体管mn3的漏极并从连接端输出y1连接到n型晶体管mn1的源级，p型晶体管mp3的栅极连接到n型晶体管mn3的栅极并从连接端连接输入ls1；p型晶体管mp1的栅极连接输入hso1，n型晶体管mn1的栅极连接输入lso1，p型晶体管mp1的源级连接到n型晶体管mn1的漏极，并从连接端输出out，输出out作为一个刺激通道的输出电压，多个选择单元电路的输出out作为多个刺激通道的输出电压。
7.进一步地，所述p型晶体管mp2的漏极连接到n级电源发生器的电源电压(n+1)vdd；n型晶体管mn2的源级连接到n级电源发生器的电源电压nvdd；p型晶体管mp3的漏极连接到n级电源发生器的电源电压nvdd；n型晶体管mn3的源级连接到n级电源发生器的电源电压(n-1)vdd，其中n＞n；通过控制输入hs1、ls1、lso1和hso1的电压在(n-1)vdd、nvdd、和(n+1)vdd之间的切换，控制输出out的电压在(n-1)vdd、nvdd、和(n+1)vdd之间的切换，同时选择单元电路的加载在每个晶体管的电压均小于等于2vdd。
8.进一步地，取n为1时，所述p型晶体管mp2的漏极连接到n级电源发生器的电源电压2vdd；n型晶体管mn2的源级连接到n级电源发生器的电源电压vdd；p型晶体管mp3的漏极连接到n级电源发生器的电源电压vdd；n型晶体管mn3的源级连接到n级电源发生器的电源地；通过控制输入hs1、ls1、lso1和hso1的电压在0、vdd、和2vdd之间切换控制输出out的电压在0、nvdd、和2vdd之间的切换。
9.进一步地，所述输入ls1、lso1、hs1和hso1的电压依次为vdd、vdd、2vdd和vdd时，则n型晶体管mn3和n型晶体管mn2导通，输出x1电压为vdd，输出y1电压为0，n型晶体管mn1导通，使得输出out电压为0；所述输入ls1、lso1、hs1和hso1的电压依次为0、vdd、2vdd和0时，则p型晶体管mp3导通和n型晶体管mn2导通，输出x1电压为vdd，输出y1电压为vdd，n型晶体管mn1断开，p型晶体管mp1导通，使得输出out电压为vdd；所述输入ls1、lso1、hs1和hso1的电压依次为0、vdd、vdd和vdd时，则p型晶体管mp2导通，输出x1电压为2vdd，p型晶体管mp2导通，使得输出out电压为2vdd。
10.本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的神经肌肉电刺激电路，通过集成n级电源发生器和多路电源选择器，在不增加过多外部电感电容元件的情况下，实现了在多通道恒流模式电刺激应用中对每个刺激通道进行独立电源电压vdd的调节和优化，大大提升了多通道电刺激电路和系统的能量效率；多路电源选择器使用全低压晶体管，通过控制电源电压变化顺序的方式来确保所有低压晶体管处于其安全电压范围内，无需使用高压晶体管，极大地减小芯片面积，降低制造成本。
附图说明
11.图1为传统的恒流电刺激电路示意图；
12.图2为现有的可动态调整电压的恒流电刺激电路示意图；
13.图3为现有的可整体动态调整电压的多通道恒流电刺激电路示意图；
14.图4为本发明实施例中神经肌肉电刺激电路原理图；
15.图5为本发明实施例中n级电源发生器原理图；
16.图6为本发明实施例中开关电容电路原理图；
17.图7为本发明实施例中选择单元电路原理图；
18.图8为本发明实施例中n为2时选择单元电路原理图；
19.图9为本发明实施例中n为2时选择单元电路状态切换序列图。
20.图中：
21.1、n级电源发生器；2、多路电源选择器；3、恒流发生器；4、周边电路。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
23.图4为本发明实施例中神经肌肉电刺激电路原理图。
24.请参见图4，本发明实施例的神经肌肉电刺激电路，包括n级电源发生器1、多路电源选择器2、恒流发生器3和周边电路4，n级电源发生器1输出n路电源电压到多路电源选择器2，多路电源选择器2在n级电源发生器1输入的n路电源电压及电源地中，选择电源电压连接到恒流发生器3成为一个刺激通道的输出电压；对多个刺激通道的输入电压对应选择电源电压；实现多个刺激通道的不同电压的恒流输出。
25.请同时参见图5，本发明实施例的神经肌肉电刺激电路，n级电源发生器1为基于开关电容的n-1级电荷泵，n级电源发生器1包括n-1个串联连接的开关电容，每一个开关电容即为一个电荷泵，在第一个开关电容的输入端连接输入电源电压vdd，每一个开关电容的自身的输出电压比其自身的输入电压增加vdd，将串联连接的各级开关电容的输出电压以及输入电源电压引出，得到n个电压值逐级递增vdd的n路电源电压vdd-nvdd。
26.请同时参见图6，本发明实施例的神经肌肉电刺激电路，每一个开关电容连接到上一个开关电容的输出，同时连接有时钟脉冲，使得开关电容的输出叠加了时钟脉冲，因此比上一个开关电容的输出电压增加一个vdd。
27.请同时参见图7，本发明实施例的神经肌肉电刺激电路，多路电源选择器2包括多个选择单元电路，每个选择单元电路包括三个n型晶体管mn1、mn2和mn3和三个p型晶体管mp1、mp2和mp3；p型晶体管mp2的源级连接到n型晶体管mn2的漏极并从连接端输出x1连接到p型晶体管mp1的漏极，p型晶体管mp2的栅极连接到n型晶体管mn2的栅极并从连接端连接输入hs1；p型晶体管mp3的源级连接到n型晶体管mn3的漏极并从连接端输出y1连接到n型晶体管mn1的源级，p型晶体管mp3的栅极连接到n型晶体管mn3的栅极并从连接端连接输入ls1；p型晶体管mp1的栅极连接输入hso1，n型晶体管mn1的栅极连接输入lso1，p型晶体管mp1的源级连接到n型晶体管mn1的漏极，并从连接端输出out，输出out作为一个刺激通道的输出电压，多个选择单元电路的输出out作为多个刺激通道的输出电压。
28.具体地，p型晶体管mp2的漏极连接到n级电源发生器1的电源电压(n+1)vdd；n型晶体管mn2的源级连接到n级电源发生器1的电源电压nvdd；p型晶体管mp3的漏极连接到n级电源发生器1的电源电压nvdd；n型晶体管mn3的源级连接到n级电源发生器1的电源电压(n-1)vdd，其中n＞n；通过控制输入hs1、ls1、lso1和hso1的电压在(n-1)vdd、nvdd、和(n+1)vdd之间的切换，控制输出out的电压在(n-1)vdd、nvdd、和(n+1)vdd之间的切换，同时选择单元电路的加载在每个晶体管的电压均小于等于2vdd。
29.恒流发生器3和周边电路4可以参考电压/电流电路用来构建完整的电刺激电路。恒流发生器3和周边电路4均采用传统电路设计，因此不做具体介绍。
30.请同时参见图8，本发明实施例的神经肌肉电刺激电路，以n＝2的简单电路为例，n为2时只需要一个选择单元电路，取n为1，p型晶体管mp2的漏极连接到n级电源发生器1的电源电压2vdd；n型晶体管mn2的源级连接到n级电源发生器1的电源电压vdd；p型晶体管mp3的漏极连接到n级电源发生器1的电源电压vdd；n型晶体管mn3的源级连接到n级电源发生器1的电源地；通过控制输入hs1、ls1、lso1和hso1的电压在0、vdd、和2vdd之间切换控制输出out的电压在0、nvdd、和2vdd之间的切换。
31.请同时参见图9，本发明实施例的神经肌肉电刺激电路，输入ls1、lso1、hs1和hso1的电压依次为vdd、vdd、2vdd和vdd时，则n型晶体管mn3和n型晶体管mn2导通，输出x1电压为vdd，输出y1电压为0，n型晶体管mn1导通，使得输出out电压为0；输入ls1、lso1、hs1和hso1的电压依次为0、vdd、2vdd和0时，则p型晶体管mp3导通和n型晶体管mn2导通，输出x1电压为vdd，输出y1电压为vdd，n型晶体管mn1断开，p型晶体管mp1导通，使得输出out电压为vdd；输入ls1、lso1、hs1和hso1的电压依次为0、vdd、vdd和vdd时，则p型晶体管mp2导通，输出x1电压为2vdd，p型晶体管mp2导通，使得输出out电压为2vdd。
32.综上所述，本发明实施例的神经肌肉电刺激电路，通过集成n级电源发生器1和多路电源选择器2，在不增加过多外部电感电容元件的情况下，实现了在多通道恒流模式电刺激应用中对每个刺激通道进行独立电源电压vdd的调节和优化，大大提升了多通道电刺激电路和系统的能量效率；多路电源选择器2使用全低压晶体管，通过控制电源电压变化顺序的方式来确保所有低压晶体管处于其安全电压范围内，无需使用高压晶体管，极大地减小芯片面积，降低制造成本。
33.虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。