專利名稱：數字式電子人工耳專用集成電路芯片的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于集成電路技術領域，特別涉及人工耳蝸系統(tǒng)中植入電路的核心部件設計。
背景技術：
臨床上把耳聾分為傳導性耳聾和傳感性耳聾。外耳或中耳的聲音傳輸通道受到損壞或功能性退化是造成傳導性耳聾的主要原因，在現代醫(yī)學中可以用替換中耳聽小骨或類似的手術修復。傳感性耳聾則是由于內耳發(fā)生的病變造成的。醫(yī)學上把聽閾在90分貝以上的患者統(tǒng)稱為全聾患者，研究表明，大部分患者全聾的原因是由于毛細胞的損失而不是聽神經的功能衰退。殘留聽神經的存在，為電子耳技術用電流直接刺激聽神經奠定了基礎。對于全聾患者來說，由于把聲音的機械振動轉換成神經的電脈沖的生物機制已被破壞，恢復聽力的唯一方法是直接用電脈沖刺激聽覺神經。電子人工耳系統(tǒng)是用于治療傳感性耳聾的一種醫(yī)療電子儀器，其功能為代替患者完成聲—電轉換，用攜帶聲音信息的電脈沖直接刺激患者的聽神經，令患者產生與原聲音頻率基本一致的聲音感覺，從而達到使患者恢復聽力的目的。它是全聾患者恢復聽覺的唯一途徑，因而研制多通道電子人工耳系統(tǒng)及相應的專用集成電路芯片具有重要的社會意義，將為殘疾人的康復事業(yè)做出巨大的貢獻。
電子人工耳專用集成電路芯片是電子人工耳系統(tǒng)的重要組成部分。由于電子人工耳系統(tǒng)所允許的體內部分的體積十分有限，因而只能利用集成電路技術來實現其中絕大部分的電路。體內電路的集成化還可以節(jié)省功耗，提高電路的穩(wěn)定性，這些對于成功的電子耳系統(tǒng)都是必不可少的。目前已有的電子人工耳專用集成電路技術包括單通道技術以及模擬多通道技術。單通道技術由于刺激模式單一，造成語音識別率較低，臨床應用效果不好。而模擬多通道技術又具有傳輸電路抗噪聲性能差、穩(wěn)定性差、電路復雜、實現困難等缺點。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術的不足之處，設計了一種數字式電子人工耳專用集成電路芯片，本發(fā)明能提供多種工作模式，具有高集成度、高可靠性、低功耗的特點。
本發(fā)明設計的一種數字式電子人工耳專用集成電路芯片，其特征在于，包括控制邏輯電路及與其相連的時鐘、數據分離電路，反向數據傳輸電路，電源電壓監(jiān)測電路，開關矩陣，數模轉換電路；與該時鐘、數據分離電路相連的波形校正電路，連接在該數模轉換電路與開關矩陣之間的由三個壓控電流源構成的壓控電流源組，向該數模轉換電路和壓控電流源組提供穩(wěn)壓輸出的參考電壓源，以及分別向所述各電路提供電源電壓的電源電壓電路；其中，該開關矩陣提供多個電極接口和1個公共電極接口。
上述各電路均可采用常規(guī)的集成電路技術實現。
本發(fā)明的特點及效果本發(fā)明提供多個普通電極和1個公共電極通道。電刺激能在任意兩個普通電極之間，或是在任一個普通電極與公共電極間產生。
本發(fā)明可提供不同的工作模式，包括單電極順序刺激模式、雙電極順序刺激模式、單電極準同時刺激模式、雙電極準同時刺激模式、反向數據傳輸模式等。在反向數據傳輸模式下，芯片應能夠測量任兩個電極間的電阻、竄擾以及電源電壓等重要的內部參數。
本發(fā)明具有高集成度、高可靠性、低功耗的特點。


圖1是采用本發(fā)明的集成電路芯片的電子人工耳系統(tǒng)結構示意圖。
圖2是本發(fā)明集成電路芯片的結構示意圖。
圖3是本發(fā)明集成電路芯片的時鐘、數據分離電路原理圖。
圖4是本發(fā)明集成電路芯片的刺激電流產生電路原理圖。
圖5是本發(fā)明集成電路芯片的壓控電流源電路原理圖。
圖6是本發(fā)明集成電路芯片的開關矩陣電路原理圖。
圖7是本發(fā)明集成電路芯片的芯片數字電路模塊圖。
具體實施方案本發(fā)明設計的一種數字式電子人工耳專用集成電路芯片結合附圖及實施例詳細說明如下本集成電路芯片的結構如圖2中黑色方框內部所示。包括控制邏輯電路及與其相連的時鐘、數據分離電路，反向數據傳輸電路，電源電壓監(jiān)測電路，開關矩陣，數模轉換電路；與該時鐘、數據分離電路相連的波形校正電路，連接在該數模轉換電路與開關矩陣之間的壓控電流源組(由三個壓控電流源構成)，以及向該數模轉換電路和壓控電流源組提供穩(wěn)壓輸出的參考電壓源；與芯片外部整流濾波電路相連的電源電壓電路；其中，本該開關矩陣提供多個電極接口(例如本實施例為16個普通電極接口)和1個公共電極接口。整個芯片為數?；旌想娐贰Ｆ渲锌刂七壿嬰娐窞閿底蛛娐?，其余各電路均為模擬電路。
該芯片的工作原理為基帶數據進入芯片內部以后，先經過波形校正電路進行波形校正，得到較好的數字信號，然后經時鐘、數據分離電路從中分離出數據和時鐘。此時鐘即作為整個芯片的系統(tǒng)時鐘?？刂七壿嬰娐窞樾酒臄底植糠?。它將根據所接收到的數據產生所有其它模塊所需的控制信號，包括輸出刺激強度信號到10比特數模轉換電路而轉換成模擬電壓，再通過壓控電流源組產生刺激電流；輸出刺激位置信號到開關矩陣從而控制在哪兩個電極之間進行刺激。電源電壓電路產生12V和5V電源電壓分別供芯片內模擬電路和數字電路使用。為了保證芯片能正常工作，模擬部分電路還包含了參考電壓源電路與電源電壓檢測電路。參考電壓源電路產生高穩(wěn)定度的模擬5V電源，為數模轉換器以及其它無需高電壓的電路模塊供電。電源電壓檢測模塊能夠實時地監(jiān)測電源電壓的變化情況，當電源電壓低于8V時，該模塊輸出一個告警信號。在這個信號的作用下，芯片禁止輸出，并復位。
本發(fā)明上述各電路的具體組成實施例及其功能分別說明如下本實施例的波形校正電路由一個遲滯性比較器構成。芯片所接收到的基帶PWM信號是帶有很多毛刺的信號。經過波形校正以后，可以得到好得多的數字信號。
時鐘、數據的分離電路由一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器與一個D觸發(fā)器組成，波形校正電路的輸出分別連接到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端和D觸發(fā)器的數據輸入端，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出連接到D觸發(fā)器的時鐘輸入端，如圖3所示。它可以從PWM基帶數字信號中分離出時鐘信號與數據信號，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的就是時鐘信號而D觸發(fā)器輸出的就是數據信號。
芯片的核心電路是它的刺激電流產生電路單元。該單元包括圖2中的三個電路數模轉換電路、壓控電流源組和開關矩陣。它們接受芯片控制邏輯電路(數字部分)的控制，可以在正確的位置(正確的電極)、正確的時序產生所需的電流刺激。該刺激電流產生電路單元的實施例如圖4所示，刺激電流產生電路的三個壓控電流源共用一個數模轉換電路。通過控制開關，可以將數模轉換電路的輸出送到三個壓控電流源上。每一個壓控電流源的輸入端接有保持電容。在相應的開關閉合期間，電容被充電。然后開關斷開，數模轉換電路可以用作其它數據的轉換。壓控電流源的輸入電壓由電容提供。通過采用這種公用數模轉換電路的方案，可以大幅度減小整個芯片的功耗。
本實施例的數模轉換電路具有10比特精度，可采用一種分壓式轉換方法與電荷分布式轉換方法結合起來做成的數模轉換器，其高四位用電阻分壓式轉換方法實現，低六位用電荷分布式轉換方法實現。
本實施例的壓控電流源，如圖5所示，主要由一個大NMOS管M1來實現，另一個NMOS管M2作為負載與M1串聯；另外，M2的源級與柵級之間、漏級與柵極之間以及M1的漏級與電源之間都接有模擬開關K1、K2、K3。通過控制信號En可以控制壓控電流源的工作狀態(tài)。圖中所有的開關都在En為高電平時閉合。這樣，當En為高電平時，電路等效為為一普通的壓控電流源，能正常輸出電流。當En為低電平時，開關打開，此時負載上無電流輸出，而且壓控電流源上幾乎無電流，這就實現了省電工作。
本實施例的開關矩陣電路如圖6所示。圖中作為示意僅畫出17個電極中的兩個El1、El2。通過控制圖中所示各模擬開關的閉合與打開來控制電流的位置、流向等。本實施例的三個壓控電流源IA、IB、IC，由控制信號AEn、BEn、CEn選擇使用哪個電流源來產生刺激電流。AEn、BEn、CEn中在任一時刻只能有一個信號有效(相應的開關閉合)，此時，由所選中的電流源控制輸出電流的大小?？刂菩盘朎l1VEn、El1AEn、El1BEn、El1CEn、El2VEn、El2AEn、El2BEn和El2CEn用來控制電流的位置及流向。
下面舉例說明本實施例是如何通過這一結構工作的。例如，當控制信號AEn、El1VEn、El2AEn有效，其相應的開關閉合，其余開關均斷開時，刺激電流由電極El1流向電極El2，且電流大小由電流源A控制。而當控制信號BEn、El2VEn、El1BEn有效時，電流由電極El2流向電極El1，大小由電流源B控制。這樣，通過控制各個電流開關，很容易便實現了電極選擇、電流方向控制及電流源選擇。El1Idle、El2Idle開關用于將未被選中的開關短接以資泄放殘存的不平衡電荷，提高系統(tǒng)的安全性。
參考電壓源電路主要由帶隙參考電壓源構成，而電源電壓檢測模塊由比較器實現。
本實施例的控制邏輯電路(數字電路)接收解碼而得的時鐘與數據，并籍此產生整塊芯片所需的各種控制信號。具體來說，本芯片的控制邏輯電路應實現如下功能1、接收數據，并提供一幀數據的緩存能力。
2、對所接收到的數據進行有效性檢驗，放棄無效數據。
3、對諸如數據傳輸速率過高等異常情況進行合理的處置。
4、識別出不同的工作模式，并在各個不同的工作模式之間順利地進行轉換。
5、根據所接收到的數據，產生全部模擬部分電路所需的控制信號。
本實施例的控制邏輯電路具體結構如圖7所示。包括，數據接收模塊以及與其連接的控制模塊和刺激產生模塊；與刺激產生模塊相連的開關矩陣模塊、數據轉換控制模塊和反向數據傳輸模塊；其中，數據接收模塊也連接到數?？刂妻D換模塊，控制模塊也連接到刺激產生模塊和反向數據傳輸模塊。
各模塊根據其功能可以分為三類一類完成數據接收并作初步的解釋。此類模塊包括圖中的數據接收模塊。第二類完成芯片內部的狀態(tài)控制，這一類模塊包括圖中的刺激脈沖產生模塊和控制模塊。第三類直接為芯片的模擬部分提供控制信號。這一類模塊包括開關矩陣模塊、數模轉換模塊和反向數據傳輸模塊，它們分別為相應的模擬電路模塊提供控制信號。各模塊的功能詳細列于表1表1

根據上述各模塊的功能要求，采用常規(guī)數字電路技術即可實現本發(fā)明的控制邏輯電路。
本實施例芯片的性能指標如下1、17個電極，包括16個普通電極和1個公共電極。電刺激應能在任意兩個普通電極之間，或是在任一個普通電極與公共電極間產生。
2、電刺激為雙相恒流電脈沖，且正負兩相應保持良好的對稱性，即進行刺激的兩個電極間流過的電荷總量應近似為0。
3、為保證安全，當前不進行刺激的各電極應短接在一起，以泄放殘余的電荷。
4、刺激電流大小變化范圍為0～2mA，分1024級可調。每個電刺激的持續(xù)時間亦分64級可調。
5、通過修改控制邏輯電路中控制模塊內的寄存器即可切換成不同的工作模式，包括單電極順序刺激模式、雙電極順序刺激模式、單電極準同時刺激模式、雙電極準同時刺激模式、反向數據傳輸模式等。在反向數據傳輸模式下，芯片應能夠測量任兩個電極間的電阻、竄擾以及電源電壓等重要的內部參數。
采用本發(fā)明的集成電路芯片的電子人工耳包含四個部分，如圖1所示(1)話筒和聲音處理器，話筒采集到聲音信號后傳輸給語音處理器，語音處理器將聲音信號轉換為適當的電信號。
(2)傳輸電路，將語音處理器輸出的電信號從體外傳到體內。
(3)植入電路，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，使植入電路產生的電脈沖直接刺激聽覺神經。
其中，話筒、聲音處理器和傳輸電路構成體外電路，植入電路與電極組構成體內電路。
本發(fā)明的數字式電子人工耳專用集成電路芯片是植入電路的核心部件。它的功能為接收體外電路發(fā)射的無線電波，從中提取所需的能量、數據，并根據所接收到的數據完成相應的動作。芯片的主要功能是在兩個電極間產生電脈沖，以刺激患者的聽神經；另外，為臨床調試的需要，芯片必須能夠向體外傳輸體內的參數，如當前芯片的電源電壓、電極間的電阻、竄擾等。
本發(fā)明的芯片外部的接收線圈電路、整流濾波電路和包絡檢波電路與芯片一起組成植入電路，如圖2所示。接收線圈電路的輸出連接到整流濾波電路和包絡檢波電路的輸入端，整流濾波電路和包絡檢波電路的輸出分別連接到芯片。植入電路的接收線圈隔著一層皮膚從體外接收到10M載頻的信號，將其送至兩路上。其中的一路送至整流濾波電路用以產生芯片所需的12V直流電壓。另一路送至包絡檢波電路用以恢復出基帶數據信號?；鶐祿墙涍^脈寬調制(PWM)的數字信號，自帶時鐘。
體外電路與體內電路采用異步串行通信方式通信。數據以“幀”為單位傳輸。每幀數據30比特或26比特不等。其中包含起始位、刺激幅度位、電極選擇位、奇偶校驗位等。
本發(fā)明的芯片接到基帶數據后，存于數據接收模塊中，同時進行奇偶校驗，若發(fā)現錯誤，則放棄該幀數據。若芯片當前空閑(無正在進行的刺激)，則從緩沖寄存器中取數據執(zhí)行，并清空緩沖寄存器。若數據傳輸率過高，以至于出現了這樣的情況芯片的緩沖寄存器已滿，而芯片還在忙于處理前一幀數據，此時，芯片又開始接收到了新一幀數據。在這種情況下，芯片將放棄緩沖寄存器中等待處理的數據，優(yōu)先處理新到的數據。
權利要求
1.一種數字式電子人工耳專用集成電路，其特征在于，包括控制邏輯電路及與其相連的時鐘、數據分離電路，反向數據傳輸電路，電源電壓監(jiān)測電路，開關矩陣，數模轉換電路；與該時鐘、數據分離電路相連的波形校正電路，連接在該數模轉換電路與開關矩陣之間的由三個壓控電流源構成的壓控電流源組，向該數模轉換電路和壓控電流源組提供穩(wěn)壓輸出的參考電壓源，以及分別向所述各電路提供電源電壓的電源電壓電路；其中，該開關矩陣提供多個電極接口和1個公共電極接口。
2.如權利要求1所述的數字式電子人工耳專用集成電路，其特征在于，所述的控制邏輯電路包括數據接收模塊以及與其連接的控制模塊和刺激產生模塊；與刺激產生模塊相連的開關矩陣模塊、數據轉換控制模塊和反向數據傳輸模塊；其中，數據接收模塊也連接到數?？刂妻D換模塊，控制模塊也連接到刺激產生模塊和反向數據傳輸模塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數字式電子人工耳專用集成電路芯片，屬于集成電路技術領域。該集成電路芯片包括控制邏輯電路及與其相連的時鐘、數據分離電路，反向數據傳輸電路，電源電壓監(jiān)測電路，開關矩陣，數模轉換電路；與該時鐘、數據分離電路相連的波形校正電路，連接在該數模轉換電路與開關矩陣之間的由三個壓控電流源構成的壓控電流源組，向該數模轉換電路和壓控電流源組提供穩(wěn)壓輸出的參考電壓源，以及分別向所述各電路提供電源電壓的電源電壓電路；其中，該開關矩陣提供多個電極接口和1個公共電極接口。本發(fā)明能提供多種工作模式，具有高集成度、高可靠性、低功耗的特點。
文檔編號A61N1/36GK1600285SQ200410083970
公開日2005年3月30日 申請日期2004年10月15日 優(yōu)先權日2004年10月15日
發(fā)明者張春, 王志華, 李冬梅, 董勉 申請人:清華大學