一种高压电流脉冲发生电路的制作方法

本实用新型涉及一种高压电流脉冲发生电路，主要为电刺激器提供高压电流源，特别适合电生物神经电化学研究的生物电刺激器，以及神经科学研究用的神经电刺激器。

背景技术：

研究生物细胞和神经组织在电压或电流刺激下的行为特性是神经科学和生物电化学领域的重要研究方向。电刺激器主要用于输出刺激信号，是这类研究的主要实验工具。医用电刺激器一般仅能输出电压脉冲，而且对刺激脉冲的精度要求并不严格，更多关注的是功能性与安全性。与一般的医用电刺激的要求不同，而生物神经电化学研究要求电刺激器能够输出精度高电流脉冲。刺激电极的界面电阻较高，一般在数KΩ到100KΩ甚至更高，此时如果要求刺激电流1mA，刺激器的电源电压则高达100V以上。同时，神经科学和生物电化学的研究对刺激器脉冲波形的要求较高，需要精准地控制脉冲的上升与下降时间、脉冲电流、脉冲周期等脉冲参数。此外，还要求输出双极性脉冲电流。目前还没有能够应用于生物神经电化学研究的高电压电流源，因此亟需开发高压电流脉冲发生电路。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于，克服现有技术的缺陷，提供一种用于电神经刺激的高压电流脉冲发生电路，可输出多种脉冲模式。该电路电流输出范围可达0~2mA，电流精度5 μA，最大输出电压可达200 V。

本实用新型技术方案是：

一种高压电流脉冲发生电路，由压控电流源和电流切换电路构成；所述的压控电流源包括sink电流源和source电流源；所述的压控电流源的输出电流输入至电流切换电路。

进一步的技术方案如下：

所述的高压电流脉冲发生电路，其sink电流源由运算放大器U1、开关管Q2和电阻R1组成，运算放大器U1的正向输入接控制电压VDAC；所述的sink电流源的输出电流与该控制电压呈线性关系，所述的sink电流源输出电流的大小等于VDAC除以R1的阻值。

所述的高压电流脉冲发生电路，其source电流源由运算放大器U2、开关管Q1、电阻R2和电阻R4组成，电阻R2将sink电流源的输出转变为电压，该电压值除以R4的电阻即为source电流源的输出电流值。

所述的高压电流脉冲发生电路，其压控电流源包括电阻R6和稳压管D2，所述的电阻R6和稳压管D2为运算放大器U2提供了一个浮动的+12V电源。

所述的高压电流脉冲发生电路，其source电流源由电阻R3和稳压管D1产生一个低于高压电源VHV的偏置电压供电。

所述的高压电流脉冲发生电路，其电流切换采用H桥形式，通过四个开关管Q3、Q4、Q5、Q6的通断控制，在OUTA1和OUTA2两端能够输出双极性电流脉冲波形。

所述的高压电流脉冲发生电路，其H桥的开关管采用的是四个NMOS管，其中的高端的两个MOS管（Q3、Q4）的驱动采用了隔离电源加数字隔离驱动的方式，低端的两个MOS管可以通过普通IO的低压引脚进行驱动；所述的二极管D3、D4、D5、D6都是为了给MOS管的栅极提供反向偏置。

所述的高压电流脉冲发生电路，其高端MOS管的驱动电路运算放大器U6、U7和组成；所述的运算放大器U6、U7为带隔离电源的数字隔离芯片，所述的数字隔离芯片提供一个5 V的隔离电源一路隔离的IO通道；所述的隔离电源的地与高端MOS管Q3、Q4的源级连接，所述的隔离的IO驱动Q3、Q4的栅极。

所述的高压电流脉冲发生电路，其高压电流脉冲发生电路的电流输出范围可达0~2mA，电流精度5 μA，最大输出电压可达200 V。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供的一种高压电流脉冲发生电路，可输出多种脉冲模式。该电路的电流输出范围可达0 ~ 2 mA，电流精度5 μA，最大输出电压可达200 V，适合神经电刺激等生物神经电化学研究的电刺激器。

附图说明

图1为压控电流源电路图。

图2为电流切换电路图。

图3为高端MOS管驱动电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1：一种高压电流脉冲发生电路，由压控电流源和电流切换电路构成。所述的压控电流源包括sink电流源和source电流源；所述的压控电流源的输出电流输入至电流切换电路。如图1所示，运算放大器U1、开关管Q2和电阻R1组成了一个sink电流源，运算放大器U1的正向输入接控制电压VDAC最终的输出电流与该控制电压呈线性关系。sink电流源输出电流的大小等于VDAC除以R1的阻值。运算放大器U2、开关管Q1、电阻R2和R4组成了source电流源，R2将sink电流源的输出转变为电压，该电压值除以R4的电阻即为source电流源的输出电流值。通过sink和source电流源的组合，实现了用较低的VDAC电压控制一个高输出电压的电流源。电阻R6和稳压管D2为运算放大器U2提供了一个浮动的+12V电源，从而不需要使用昂贵的高压运放。电阻R3和稳压管D1产生一个低于高压电源VHV的偏置电压给source电流源供电，其目的是当控制电压VDAC为0，Q1栅极能够产生一个反向偏置，确保Q1关断时没有漏电流。

图2为电流切换电路。图1中的压控电流源的输出电流输入至电流切换电路。电流切换采用H桥形式，通过四个开关管的通断控制，在OUTA1和OUTA2两端能够输出双极性电流脉冲波形。H桥的开关管采用的是四个NMOS管，由于切换的是电流源，当负载电阻变化时，高端MOS管Q3、Q4的源级电压变化很大，不能用低压IO直接驱动。如果采用传统的自举电容驱动方式，自举电容的充电电流会影响电流源的输出精度。因此，高端MOS管Q3、Q4的驱动采用了隔离电源加数字隔离驱动的方式。低端的两个MOS管Q5、Q6通过普通IO的低压引脚进行驱动。图2中的二极管D3、D4、D5、D6给MOS管的栅极提供反向偏置，减小关断时的漏电流，提高电流源精度。

图3为高端MOS管的驱动电路，所述的高端MOS管的驱动电路运算放大器U6、U7组成，运算放大器U6、U7为带隔离电源的数字隔离芯片，数字隔离芯片能够提供一个隔离的5V电源和一路隔离的IO通道。隔离电源的地与图2中高端MOS管Q3、Q4的源级连接，隔离的IO驱动Q3、Q4的栅极。无论OUTA1或OUTA2端的电压如何变化，对Q3、Q4都能实现可靠的驱动。

本实用新型提供的生物神经电刺激器的优点是：可输出多种脉冲模式。该电路的电流输出范围可达0 ~ 2 mA，电流精度5 μA，最大输出电压可达200 V，适合电神经刺激等生物神经电化学研究的电刺激器。

本实用新型上述实施例，仅为示范性的进一步说明技术方案、原理及应用和功效等，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。也就是，本实用新型的权利要求保护范围不限于上述实施例。