一种应用于心脏起搏器的起搏电路负压钳位装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种应用于心脏起搏器的起搏电路负压钳位装置，所述装置包括：起搏电路和DAC模块；所述起搏电路与DAC模块相连接；所述起搏电路包括：MOS管、二极管、电阻和电容；所述电阻起保护作用，包括第一电阻、第二电阻和第三电阻；所述电容利用其充放电特性来产生起搏脉冲，包括第一电容和第二电容；所述MOS管用作开关，包括第一至第九MOS管；所述二极管利用其钳位特性来减小电容负电压的值；所述DAC模块用于调节起搏电路起搏脉冲的幅值。本发明所提出装置利用二极管钳位防止负压产生，或减小负电压的值，避免PN结正向导通，保障了起搏电路功能的正确性。该电路结构简单，功耗低，易集成。
【专利说明】
一种应用于心脏起搏器的起搏电路负压钳位装置
技术领域
[0001] 本发明属于集成电路领域，具体涉及一种应用于心脏起搏器的起搏电路负压钳位 装置。
【背景技术】
[0002] 目前，中国有几千万心动过缓、心律不齐、传导阻滞的病人靠心脏起搏器维持心跳 维系生命。植入式心脏起搏器时刻监控心跳，必要时可以通过与心肌接触的起搏电极发出 刺激脉冲信号，以保证心脏按正常节律跳动。若起搏器中起搏电路发生故障，无法按预计起 搏幅值发放刺激或无起搏脉冲输出，则会对患者造成致命的伤害。其次，植入式心脏起搏器 需要在人体内连续工作十年以上，这就要求心脏起搏器在系统级和电路级的设计中都必须 严格遵循低功耗原则。心脏起搏器中的起搏电路是其中最耗电的模块，起搏脉冲即是将起 搏器电池的直流能量转换为电脉冲输出，这一能量转换效率对起搏器整体功耗影响很大。 再次，植入式心脏起搏器的小型化要求其中的功能电路和元件尽可能地集成在芯片内部。 目前，基于Si CMOS技术设计心脏起搏器专用集成电路成为主流。然而，在起搏电路中为了 产生高压刺激脉冲信号，存在高低压等不同的电压域以及大电容的充放电过程，由此产生 的负压及PN结正偏等问题会造成起搏脉冲发放故障，同时降低功耗效率。这对于心脏起搏 器是至关重要的问题。
【发明内容】
[0003] 基于此，本发明公开了一种应用于心脏起搏器的起搏电路负压钳位装置；
[0004] 所述装置包括:起搏电路和DAC模块；
[0005] 所述起搏电路与DAC模块相连接；
[0006] 所述起搏电路包括:M0S管、二极管、电阻和电容；
[0007] 所述电阻起保护作用；
[0008] 所述电容利用其充放电特性来产生起搏脉冲；
[0009] 所述M0S管用作开关；
[0010] 所述二极管利用其钳位特性来减小电容负电压的值。
[0011] 本发明所提出的装置利用二极管钳位防止负压产生，或减小负电压的值，避免PN 结正向导通，保障了起搏电路功能的正确性。该电路结构简单，功耗低，易集成。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明一个实施例中带有二极管负压钳位装置的起搏电路原理图；
[0013] 图2为本发明一个实施例中没有二极管负压钳位装置的起搏电路电容C1左右极板 电压仿真结果图；
[0014] 图3为本发明一个实施例中带有二极管负压钳位装置的起搏电路电容C1左右极板 电压仿真结果图。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合附图，通过具体的实例对本发明作进一步说明，但不构成对本发明的限 制。
[0016] 在一个实施例中，本发明为一种应用于心脏起搏器的起搏电路负压钳位装置，所 述装置包括:起搏电路和DAC模块；
[0017] 所述起搏电路与DAC模块相连接；
[0018] 所述起搏电路包括:M0S管、二极管、电阻和电容；
[0019]所述电阻起保护作用；
[0020] 所述电容利用其充放电特性来产生起搏脉冲；
[0021] 所述M0S管用作开关；
[0022]所述二极管利用其钳位特性来减小电容负电压的值。
[0023] 更优的，具体参考图1，本实例中的应用于心脏起搏器的起搏电路二极管负压钳位 装置一共包括9个M0S管，3个电阻，2个电容，1个二极管。注意本发明所保护的范围不局限于 这里描述的实例。在本实例中，晶体管均使用的M0S管，同时可以使用三极晶体管代替M0S 管。在这种情况下，用三极管基极代替M0S管栅极，用三极管集电极代替M0S管漏极，用三极 管发射极代替M0S管源极。
[0024] 本实施例提出了应用于心脏起搏器的起搏电路二极管负压钳位装置，该电路结构 简单，功耗低，利用了二极管的钳位功能，减小了电容右极板被拉负的电压值，防止了后续 极性选择开关电路中M0S管PN结的正向导通，提高了重新充电速度，减小了与预期起搏脉 冲之间的误差，保障了电路功能的正确性。
[0025] 在一个实施例中，所述电阻包括第一电阻、第二电阻和第三电阻；
[0026]所述电容包括第一电容和第二电容；
[0027] 所述M0S管包括第一至第九M0S管。
[0028]在一个实施例中，所述起搏电路中第一电阻的一端与DAC模块的输出端相连接，第 一电阻的另一端与第一 MO S管的漏端相连接；
[0029]所述第二电阻的一端分别与第一M0S管的源端，第二M0S管漏端和心脏阴极相连 接，第二电阻的另一端与第二M0S管源端相连接并接地；
[0030] 所述第三电阻一端与第八M0S管源端连接，另一端分别与第七M0S管源端和第九 M0S管漏端相连接并接电源电压；
[0031] 所述第一电容的一端与心脏阳极或起搏器外壳端相连接，另一端与第三M0S管漏 端和第四M0S管漏端相连接；
[0032]所述第二电容的一端与第五M0S管源端和第八M0S管漏端相连接，另一端与第六 M0S管漏端和第九M0S管源端相连接；
[0033]所述二极管与第一电容并联。
[0034]在本实施例中，更为具体的起搏电路如图1所示，包括:右端接在DAC输出端，左端 与第一 M0S管的漏端相连接的第一电阻;上端接在第一 M0S管的源端，第二M0S管漏端和心脏 阴极，下端与地相连接的第二电阻；左端接在电源电压，右端与第八M0S管的源端相连接的 第三电阻；右极板与心脏阳极或起搏器外壳端相连接，左极板与第三M0S管漏端和第四M0S 管漏端相连接的第一电容;上极板与第五MOS管源端和第八MOS管漏端相连接，下极板与第 六M0S管漏端和第九M0S管源端相连接的第二电容;漏端与第一电阻左端相连接，栅端与S1 控制信号相连接，源端与第二M0S管漏端，第二电阻上端和心脏阴极相连接的第一 M0S管;漏 端与第一 M0S管源端，第二电阻上端和心脏阴极相连接，栅端与S2控制信号相连接，源端与 地相连接的第二M0S管;漏端与第四M0S管漏端，第一电容左极板和第一二极管正端相连接， 栅端与S3控制信号相连接，源端与地相连接的第三M0S管;漏端与第三M0S管漏端，第一电容 左极板和第一二极管正端相连接，栅端与S4控制信号相连接，源端与第五M0S管漏端和第七 M0S管漏端相连接的第四M0S管;漏端与第四M0S管源端和第七M0S管漏端相连接，栅端与S5 控制信号相连接，源端与第八M0S管漏端和第二电容上极板相连接的第五M0S管;漏端与第 九M0S管源端和第二电容下极板相连接，栅端与S6控制信号相连接，源端与地相连接的第六 M0S管;漏端与第四M0S管源端和第五M0S管漏端相连接，栅端与S7控制信号相连接，源端与 电源电压相连接的第七M0S管;漏端与第五M0S管源端和第二电容上极板相连接，栅端与S8 控制信号相连接，源端与第三电阻右端相连接的第八M0S管;漏端与电源电压和第三电阻左 端相连接，栅端与S9控制信号相连接，源端与第六M0S管漏端和第二电容下极板相连接的第 九M0S管;正端与第三M0S管漏端，第四M0S管漏端，第一电容左极板相连接，负端与第一电容 右极板和心脏阳极或起搏器外壳相连接的第一二极管。此电路中，电阻起保护作用，利用电 容的充放电特性来产生起搏脉冲，所用M0S管均作开关用途，利用二极管钳位特性减小电容 C1右端负电压的值。
[0035] 在一个实施例中，所述二极管的导通压降小于400mV。
[0036]在本实施例中，原则上，二极管正向导通压降越小，能使第一电容右端电压出现的 负电压值越小；理论上该正向导通压降的下限为大于0V，实际中二极管导通压降很难做到 0.2V以下;在硅材料中使得PN结正向导通电压约为0.7V，因此，为避免后级所接电路中M0S 管的寄生PN结正偏或引起较大漏电，根据实测结果，二极管导通压降应小于0.4V，才能保证 电路正常工作。因此，400mV的上限是对于硅基上实现该电路所言。
[0037]在一个实施例中，所述DAC模块包括5位输入数字位，能够产生从0到VDD且步长为 0.IV的可配置充电电压VDAC，实现对起搏脉冲幅值的调节。
[0038] 在本实施例中，DAC模块的5位输入数字位可产生32个数字码，所述起搏电路需要 28个数字码用来控制产生从0V到2.8V的步长间隔为0.1 V的可配置充电电压VDAC，实现对起 搏脉冲幅值的精细调节。
[0039] 在一个实施例中，所述充电电压Vdac对第一电容充电，用来产生一倍电源电压以内 起搏脉冲。
[0040] 在本实施例中，对于产生一倍电源电压以内的起搏脉冲，在充电阶段，M0S管Ml、M3 栅端接高电平，对电容Cl充电;在放电阶段，MOS管M2、M3栅端接高电平，电容Cl放电。
[0041 ] 在一个实施例中，所述充电电压Vdac对第一电容充电，放电时第一电容另一端接电 源电压，用来产生电源电压到二倍电源电压的起搏脉冲。
[0042] 如图1所示的电路，在本实施例中，产生电源电压到二倍电源电压的起搏脉冲具体 为:在充电阶段，对电容C1充电；在放电阶段，M0S管M2、M4、M7栅端接高电平导通，电容C1原 接地一端改接电源电压放电。
[0043] 在一个实施例中，所述充电电压Vdac对第一电容充电，同时电源电压对第二电容充 电，放电时第一电容和第二电容串联，电源电压充电的电容放电时另一端接电源电压，用来 产生二倍电源电压到三倍电源电压起搏脉冲。
[0044] 如图1所示的电路，在本实施例中，在产生二倍电源电压到三倍电源电压起搏脉冲 时，首先将起搏器阳极或者起搏器外壳端连接到电容C1右极板，将起搏器阴极连接到M0S管 Ml源端，心脏经正确的极性通路接入该电路;M0S管[、13、16、18栅端接高电平，其余冊3管 栅端均接低电平，使电容C1、C2充电，经过20ms，C1上电压已上升非常缓慢，由于电阻R2(起 一定保护作用)远远大于R1和M0S管Ml导通电阻之和，所以C1上最后充电约到电平V DAC，电容 C2上极板电压约为VDD;所有M0S管栅端均接低电平，等待约lms ;M0S管M2、M4、M5、M9栅端接 高电平，其余MOS管栅端接低电平，电容C2原接地一端改接电源电压，电容Cl、C2串联放电， 等效为零输入响应。从而得到二倍电源电压到三倍电源电压心脏的起搏脉冲。
[0045] 在发放三倍压起搏脉冲时，如果没有二极管D1，电容C1右端放电速度大于左端，造 成在放电结束时电容C1右端电压小于左端电压。在进入下一次充电过程时，M0S管M4关断， M0S管M3导通，电容C1的左端被M0S管M3拉到地，从而在电容C1右端会有负电压产生，造成其 所连M0S管PN结正偏，导致起搏电压无法达到预期值，从而造成电路无法正常工作。
[0046] 在一个实施例中，当第一电容两端压降高于二极管导通电压时，二极管导通，第一 电容两端电压差被钳位在二极管导通压降内。
[0047] 本实施例利用具有较小正向导通电压的肖特基二极管D1的电压钳位特性，可将负 电压的值控制在较小数值，不会导致所连M0S管PN结正向导通，从而有效解决电容C1右端负 压产生所带来的问题。
[0048]在一个实施例中，使用三极晶体管代替M0S管，具体为:使用三极管基极代替M0S管 栅极，三极管集电极代替M0S管漏极，三极管发射极代替M0S管源极。
[0049] 在一个实施例中，本发明所述装置的电路基本原理如图1所示。通过开关控制信号 来对电容进行充放电，从而产生刺激心脏的起搏脉冲。本实例中，可产生对心脏进行三倍电 源电压以内的刺激脉冲。通过配置DAC模块的5位输入数字位，可以产生从0到VDD且步长为 0.1 V的可配置充电电压VDAC，实现对起搏脉冲幅值的精细调节。可配置充电电压VDAC对电容 充电，用来产生一倍电源电压以内起搏脉冲(一倍压）；可配置Vdac对电容充电，放电时电容 另一端接电源电压，用来产生电源电压到二倍电源电压的起搏脉冲(二倍压）；可配置Vdac和 电源电压分别对两个电容充电，放电时两电容串联，电源电压充电的电容放电时另一端接 电源电压，用来产生二倍电源电压到三倍电源电压起搏脉冲(三倍压）。在发放三倍压起搏 脉冲时，如果没有二极管D1，电容C1右端放电速度大于左端，造成在放电结束时电容C1右端 电压小于左端电压。在进入下一次充电过程时，M0S管M4关断，M0S管M3导通，电容C1的左端 被M0S管M3拉到地，从而在电容C1右端会有负电压产生，造成其所连M0S管PN结正偏，导致起 搏电压无法达到预期值，从而造成电路无法正常工作。本发明利用具有较小正向导通电压 的肖特基二极管D1的电压钳位特性，可将负电压的值控制在较小数值，不会导致所连M0S管 PN结正向导通，从而有效解决电容C1右端负压产生所带来的问题。
[0050] 在一个实施例中，如图1所示，一种应用于心脏起搏器的起搏电路二极管负压钳位 装置一共包括9个M0S管，3个电阻，2个电容，1个二极管。注意本发明所保护的范围不局限于 这里描述的实例。在本实例中，晶体管均使用的M0S管，同时可以使用三极晶体管代替M0S 管。在这种情况下，用三极管基极代替M0S管栅极，用三极管集电极代替M0S管漏极，用三极 管发射极代替MOS管源极。适用于心脏起搏器的心脏起搏电路如图1所示，其工作过程包括： 一倍电源电压以内起搏脉冲(一倍压）的产生，电源电压到二倍电源电压的起搏脉冲（二倍 压）的产生，二倍电源电压到三倍电源电压起搏脉冲(三倍压）的产生。
[0051]具体实现方法为：以产生二倍电源电压到三倍电源电压起搏脉冲(三倍压)为例， 首先将起搏器阳极或者起搏器外壳端连接到电容C1右极板，将起搏器阴极连接到M0S管Ml 源端，心脏经正确的极性通路接入该电路;M0S管、13』6、18栅端接高电平，其余冊5管栅 端均接低电平，使电容C1、C2充电，经过20ms，C1上电压已上升非常缓慢，由于电阻R2(起一 定保护作用)远远大于R1和M0S管Ml导通电阻之和，所以C1上最后充电约到电平V DAC，电容C2 上极板电压约为VDD;所有M0S管栅端均接低电平，等待约lms;M0S管1214、15、19栅端接高 电平，其余M0S管栅端接低电平，电容C2原接地一端改接电源电压，电容C1、C2串联放电，等 效为零输入响应。从而得到二倍电源电压到三倍电源电压心脏的起搏脉冲。
[0052]与三倍压起搏脉冲相类似，对于产生二倍压起搏脉冲，在充电阶段，只需对电容C1 充电；在放电阶段，M0S管M2、M4、M7栅端接高电平导通，电容C1原接地一端改接电源电压放 电。对于产生一倍压起搏脉冲，在放电阶段，M0S管M2、M3栅端接高电平，电容C1放电。
[0053]然而，当电路产生二倍电源电压到三倍电源电压起搏脉冲(三倍压)时，电容Cl、C2 串联放电，由于电容C1，C2不相等，本实例中C1为6.8yF，C2为10yF，因而电容C1左右极板放 电速度不一致，导致电容C1右极板放电快，电容C1左极板放电慢，因而在相同放电时间后， 电容C1左极板电压高于电容C1右极板电压。电容C1两端电压变化量关系如公式(1)所示，
[0055] 其中，AVL，为电容C1左右极板电压变化量，C1，C2为电容C1，C2容值。
[0056] 当重新给电容C1充电瞬间，电容左极板接地，由于电容两端电压不能瞬间改变，因 此电容C1右极板被拉为负电压。电容C1右极板接极性选择开关电路，若为负压，可能造成极 性选择开关电路中的M0S管PN结正向导通，造成漏电，导致电路功能不正确。并且使得重新 给电容充电时的充电速度减慢，导致无法达到预期起搏脉冲幅值。
[0057] 为解决电容C1右极板被拉负带来的一系列危害，本发明中将一导通压降小于 400mV的二极管并联在C1两端，如图1所示，且该二极管的导通电压越低，负压的值会越小， 充放电性能越好。当电容两端压降高于二极管导通电压时，二极管导通，电容两端电压差被 钳位在二极管导通压降。由于所选二极管的导通压降极小，因此不会造成极性选择开关电 路中M0S管PN结正向偏置，并且重新给电容充电的速度较快，与预期起搏脉冲幅值之间的 误差减小，电路能够重新正常工作。
[0058] 图2为没有二极管负压钳位装置的起搏电路中电容C1左右极板电压仿真结果。在 2.8V电源电压，1K欧姆心脏电阻负载情况下，可以看出，在电容充电结束时刻，电容右极板 电压为3.867V，电容左极板电压为4.866V，电容两端电压差约为IV。放电结束lms后，电容右 极板电压为_649mV，电容左极板接地，电压为0V，电容两端电压差为649mV。电容两端电压差 由IV变为649mV，是由于电容右极板电压被拉负后引起后面所接极性选择开关M0S管中PN结 正向导通，使得电容右极板电压被钳位在_649mV，导致电路无法正常工作。
[0059] 图3为带有二极管负压钳位装置的起搏电路中电容C1左右极板电压仿真结果。在 2.8V电源电压，1K欧姆心脏电阻负载情况下，可以看出，在电容充电结束时刻，电容右极板 电压为4.606V，电容左极板电压为4.815V，电容两端电压差约为209mV。放电结束lms后，电 容右极板电压为-120.2mV，电容左极板接地，电压为0V，电容两端电压差为120.2mV。电容右 极板电压被钳位在-120.2mV，相比图2,负压的值有明显减小，没有超过PN结导通电压，不会 造成后续电路MOS管PN结正向导通，并且电容充电速度更快，使起搏脉冲幅值与预期值误 差减小，因而电路可以正常工作，性能得到提升。
[0060] 综上所述，本发明将一导通压降极低二极管与产生负压电容并联，利用二极管的 钳位功能，减小电容右极板被拉负的电压值，防止后续极性选择开关电路中M0S管PN结的正 向导通，提高重新充电速度，减小与预期起搏脉冲之间的误差，保障电路功能的正确性。同 时电路结构简单，功耗低，便于在起搏器产品中的集成。
[0061] 上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，优选实施例并没有详尽叙述所 有的细节，也不限制该发明仅为所述的【具体实施方式】。对于本领域的技术人员来说，在不违 背本发明的精神及范畴下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而 易见的改变，均属于本发明保护范围之内。
【主权项】
1. 一种应用于心脏起搏器的起搏电路负压钳位装置，其特征在于，所述装置包括:起搏 电路和DAC模块； 所述起搏电路与DAC模块相连接； 所述起搏电路包括:MOS管、二极管、电阻和电容； 所述电阻起保护作用； 所述电容利用其充放电特性来产生起搏脉冲； 所述MOS管用作开关； 所述二极管利用其钳位特性来减小电容负电压的值； 所述DAC模块用于调节起搏电路中起搏脉冲的幅值。2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于:优选的，所述电阻包括第一电阻、第二电阻 和第三电阻； 所述电容包括第一电容和第二电容； 所述MOS管包括第一至第九MOS管。3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于： 所述起搏电路中第一电阻的一端与DAC模块的输出端相连接，第一电阻的另一端与第 一 MOS管的漏端相连接； 所述第二电阻的一端分别与第一 MOS管的源端，第二MOS管漏端和心脏阴极相连接，第 二电阻的另一端与第二MOS管源端相连接并接地； 所述第三电阻一端与第八MOS管源端连接，另一端分别与第七MOS管源端和第九MOS管 漏端相连接并接电源电压； 所述第一电容的一端与心脏阳极或起搏器外壳端相连接，另一端与第三MOS管漏端和 第四MOS管漏端相连接； 所述第二电容的一端与第五MOS管源端和第八MOS管漏端相连接，另一端与第六MOS管 漏端和第九MOS管源端相连接； 所述二极管与第一电容并联。4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述二极管的导通压降小于400mV。5. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述DAC模块包括5位输入数字位，能够产 生从0到VDD且步长为0.1 V的可配置充电电压VDAC，实现对起搏脉冲幅值的调节。6. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于:所述可配置充电电压VDAC对第一电容充电， 用来产生一倍电源电压以内起搏脉冲。7. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于:所述可配置充电电压VDAC对第一电容充电， 当第一电容放电时，第一电容的另一端与电源电压相连接，用来产生电源电压到二倍电源 电压的起搏脉冲。8. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于:所述可配置充电电压VDAC对第一电容充电， 同时电源电压对第二电容充电，当第一电容和第二电容同时放电时，第一电容和第二电容 串联，第二电容的另一端接电源电压，用来产生二倍电源电压到三倍电源电压的起搏脉冲。9. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于：当第一电容两端压降高于二极管导通电压 时，二极管导通，第一电容两端电压差被钳位二极管导通压降内。10. 根据权利要求1-9所述的装置，其特征在于，使用三极晶体管代替MOS管，具体为:使 用三极管基极代替MOS管栅极，三极管集电极代替MOS管漏极，三极管发射极代替MOS管源 极。
【文档编号】A61N1/372GK106063973SQ201610348891
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年5月24日 公开号201610348891.9, CN 106063973 A, CN 106063973A, CN 201610348891, CN-A-106063973, CN106063973 A, CN106063973A, CN201610348891, CN201610348891.9
【发明人】许江涛, 王珈璐, 张鸿, 张瑞智
【申请人】西安交通大学