一种视觉假体中视神经刺激器电路的制作方法

本发明涉及一种视觉假体中视神经刺激器电路，适用于生物领域。

背景技术：

今天，社会科技高度发达，但是对于盲人们，生活还是没有改善，他们在日常生活中依然主要依靠的是探路棍和简单的触觉。各国政府都开始重视盲和视力损伤这个问题，它己经对社会及公共卫生产生严重的影响。各国政府通过制定助盲政策和投入大量经费开展治盲的研究等方式，积极响应WHO于1999年发起的“视觉2020:享有看见的权利”l37这一全球性行动，即到2020年在全世界根除可避免盲，所谓可避免盲就是指通过预防或治疗而使患者不成为盲人或者复明，主要包括白内障、沙眼、河盲(只存在于某些非洲及少数拉美国家)、儿童盲、低视力及屈光不正。同年九月，中国政府负责人在这个活动宣言上面签了字，同时，在党的十七大报告上，也有一篇支持Vision2020活动的报告名为:“发扬人道主义精神，发展残疾人事业”。这是中国特色社会主义建设中对残疾人关怀和对残疾人事业重视的重要体现。视觉功能修复的研究是符合社会的需求的，将为盲人患者带来福音，使他们能公平享受社会带给他们的权利，能参与社会活动，能够切身享受社会主义的优越性。

最近几年，专家学者们通过开展各种研究，如光动力学、基因、药等方式治疗盲患但是截止目前，对患有RP, AMD疾病或者由于外伤而导致的视力受损患者依然没有有效的措施使其复明。为了使盲人的视力得到一定的改善，延缓甚至达到治疗他们的眼疾，近年来全世界科学家正在致力于研究、探索用视觉假体替代视网膜功能来修复视觉功能的方法，其原理是利用视觉假体采集外界图像信息，进行编码处理，通过微电流微刺激器对视觉神经组织施加一定幅度和频率的电流刺激，使视觉神经元兴奋，从而使病人产生视觉感受，即光幻视。光幻视是指电极的定点电刺激所产生的视觉感受，它是点状或其他简单形状的小光斑，其大小、亮度及颜色等由于电刺激参数等因素的影响而变化。因此，所谓的视觉感受就是由视觉假体产生的像素化的图像，该图像由一些独立的光点构成。

视神经假体是在眼球后的视神经部位进行功能电刺激的一种修复方法，与视皮层假体及视网膜假体相比较，视神经假体的优点是手术的风险小，覆盖的视野范围大，而且需要的刺激闭值低，不需要接触已经病变的组织。但是因为神经束尺寸是有限的，不能无限制的植入很多的电极，这成为视神经假体的发展的一个瓶颈问题，因此微电极的材料、形状及大小等的设计依旧是视神经修复的一大难题。

技术实现要素：

本发明提供一种视觉假体中视神经刺激器电路，该刺激器可以产生多路电荷平衡的双向电流脉冲，可以改变电流的幅持续时间，电流的幅值范围10uA-1022uA，脉冲持续时间范围20us-400us，脉冲频冲低于350Hz，且能在较宽电源电压和电极阻抗变换范围内稳定工作。

本发明所采用的技术方案是：

视觉假体中视神经刺激器电路主要包含带隙基准电路、多基准产生电路、ASK解调电路、数模转换器(DAC )、压控振荡电路以及正负电流脉冲产生电路。

所述带隙基准电路中为保证基准源电路摆脱初始锁定状态而顺利启动，电路通常需要启动电路。Ml-M4形成分压为M5提供偏置，使M5开启形成直流通路，并使整个电路进入正常工作状态，当电路进入正常工作状态后，启动电路将关闭。M6-M9构成的NMOS共源共栅级联可以使NMOS管的管压降在电源电压变化时保持恒定。M10-M13构成PMOS共源共栅电流镜，为双极晶体管Ql,Q2提供偏置，以保证流过基准源两条支路偏置电流具有相同的温度特性，并降低了对电源的敏感度。电阻R2和R3用于维持适当的电压，使所有的MOSFET都工作在饱和态。这样，当基准电路稳态输出时，可以产生一个与电源无关、随绝对温度成正比的偏置电流。M14,M15镜像PTAT电流源的偏置电流，正温度系数的电压，双极晶体管Q3的Vbe提供负的温度系数，和双极晶体管的集电极面积之比n，获得随温度和电源变化很小流过电阻R4，形成具有通过调节电阻比率R4/R3的基准电压。

所述多基准产生电路中，Vbn和Vbp是产生的多基准电压,运放的正向输入端为带隙基准电压Vref，反向输入端接Vin-，若运放具有足够高的增益，则Vin-被钳制在Vref相同的值。运放控制PMOS管MP为串联电阻提供电流，电流流过各串联电阻，产生压降。通过调整R1, R2, R3, R4的大小，就可以获得所需的偏置电压。

所述ASK解调电路采用集成电路方式实现，输入信号Vsignal通过M1、M2组成的源跟随器、M3-M5组成的电流饥饿型反相器以及M6和M7组成的反相器，获得时钟信号Vc，不过这时的时钟信号是不完整的，这是因为采用ASK调制，输入信号幅度高时，相应时钟信号为1；当输入信号为低电平时，检测不到时钟信号，即时钟信号为0。再将Vc信号通过M8-M9组成的反相器，再通过M10-M12及电容C组成的简单电荷泵进行包络检波，检波输出经过M13-M15组成的电流饥饿型反相器及M16和M17组成的反相器输出data信号。传输“1”时，载波存在，M11导通，M10的漏电流通过M11给电容C充电，占空比高的时候，电容电压接近3.3V;传输0时，M11截止，电容电压趋于gnd。

所述DAC电路用PMOS晶体管实现二进制加权电流漏型DAC。考虑最大输出电流为1mA左右，输出电路输出电流幅值是两倍的DAC电路输出电流，因此，选9位DAC,LSB为1uA，这样可以实现DAC输出电流在512倍以内任意倍可调。

所述压控振荡器采用电流饥饿型压控振荡器。M2和M3管用作反相器，M1和M4用作电流源。M1和M4构成的电流源控制着流过M2和M3管的电流，即反相器处于电流饥饿状态。M5和M6管的漏电流相等，大小由输入控制电压设定，流过M5和M6的电流在每一级反相器/电流源中被镜像。通常，VCO的输出都要经过一到两级反相器缓冲后再输出。

所述正负向电流脉冲产生电路中，DAC产生的电流为正向电流(IDAC)，首先，直接通过NMOS管M1-M6组成的共源共栅电流镜产生负向电流(I0-)，其中M1}M6尺寸相同，因此，一的大小是两倍的IDAC；其次，通过NMOS管M7-M10组成的共源共栅电流镜产生负向电流，并将其传送至PMOS管M1-M6组成的共源共栅电流镜以产生正向电流，其中M1-M6也是尺寸相同的，所以I0+的大小也是两倍的IDAC。数字控制提供两个控制信号(S1, S2)，分别用于控制负向与正向电流脉冲的产生。

本发明的有益效果是：该刺激器可以产生多路电荷平衡的双向电流脉冲，电流的幅值范围10uA-1022uA，脉冲持续时间范围20us-400us，脉冲频冲低于350Hz，且能在较宽电源电压和电极阻抗变换范围内稳定工作。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的带隙基准电压源电路。

图2是本发明的多基准产生电路。

图3是本发明的ASK解调电路。

图4是本发明的二进制加权电流漏型DAC。

图5是本发明的压控震荡器。

图6是本发明的正负向电流脉冲产生电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，带隙基准电路中为保证基准源电路摆脱初始锁定状态而顺利启动，电路通常需要启动电路。Ml-M4形成分压为M5提供偏置，使M5开启形成直流通路，并使整个电路进入正常工作状态，当电路进入正常工作状态后，启动电路将关闭。M6-M9构成的NMOS共源共栅级联可以使NMOS管的管压降在电源电压变化时保持恒定。M10-M13构成PMOS共源共栅电流镜，为双极晶体管Ql,Q2提供偏置，以保证流过基准源两条支路偏置电流具有相同的温度特性，并降低了对电源的敏感度。电阻R2和R3用于维持适当的电压，使所有的MOSFET都工作在饱和态。这样，当基准电路稳态输出时，可以产生一个与电源无关、随绝对温度成正比的偏置电流。M14,M15镜像PTAT电流源的偏置电流，正温度系数的电压，双极晶体管Q3的Vbe提供负的温度系数，和双极晶体管的集电极面积之比n，获得随温度和电源变化很小流过电阻R4，形成具有通过调节电阻比率R4/R3的基准电压。

如图2，多基准产生电路中，Vbn和Vbp是产生的多基准电压,运放的正向输入端为带隙基准电压Vref，反向输入端接Vin-，若运放具有足够高的增益，则Vin-被钳制在Vref相同的值。运放控制PMOS管MP为串联电阻提供电流，电流流过各串联电阻，产生压降。通过调整R1, R2, R3, R4的大小，就可以获得所需的偏置电压。

如图3，采用集成电路方式实现ASK解调，输入信号Vsignal通过M 1、M2组成的源跟随器、M3-M5组成的电流饥饿型反相器以及M6和M7组成的反相器，获得时钟信号Vc，不过这时的时钟信号是不完整的，这是因为采用ASK调制，输入信号幅度高时，相应时钟信号为1;当输入信号为低电平时，检测不到时钟信号，即时钟信号为0。再将Vc信号通过M8-M9组成的反相器，再通过M10-M12及电容C组成的简单电荷泵进行包络检波，检波输出经过M13-M15组成的电流饥饿型反相器及M16和M17组成的反相器输出data信号。传输“1”时，载波存在，M11导通，M10的漏电流通过M11给电容C充电，占空比高的时候，电容电压接近3.3V;传输0时，M11截止，电容电压趋于gnd 。

如图4，DAC电路用PMOS晶体管实现二进制加权电流漏型DAC。考虑最大输出电流为1mA左右，输出电路输出电流幅值是两倍的DAC电路输出电流，因此，选9位DAC,LSB为1uA，这样可以实现DAC输出电流在512倍以内任意倍可调。

如图5，压控振荡器采用电流饥饿型压控振荡器。M2和M3管用作反相器，M1和M4用作电流源。M1和M4构成的电流源控制着流过M2和M3管的电流，即反相器处于电流饥饿状态。M5和M6管的漏电流相等，大小由输入控制电压设定，流过M5和M6的电流在每一级反相器/电流源中被镜像。通常，VCO的输出都要经过一到两级反相器缓冲后再输出。

如图6，正负向电流脉冲产生电路中，DAC产生的电流为正向电流(IDAC)，首先，直接通过NMOS管M1-M6组成的共源共栅电流镜产生负向电流(I0-)，其中M1}M6尺寸相同，因此，一的大小是两倍的IDAC；其次，通过NMOS管M7-M10组成的共源共栅电流镜产生负向电流，并将其传送至PMOS管M1-M6组成的共源共栅电流镜以产生正向电流，其中M1-M6也是尺寸相同的，所以I0+的大小也是两倍的IDAC。数字控制提供两个控制信号(S1, S2)，分别用于控制负向与正向电流脉冲的产生。