高壓監(jiān)控逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利說(shuō)明】高壓監(jiān)控逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器
[0001]本申請(qǐng)要求于2013年3月15日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/788，926的權(quán)益。前述申請(qǐng)的主題據(jù)此全文以引用的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及能夠具有廣泛用途的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具體來(lái)說(shuō)涉及尤其在功能性電刺激(FES)應(yīng)用中的高壓刺激電極監(jiān)控。
【背景技術(shù)】
[0003]通常在FES應(yīng)用中，可編程電流發(fā)生器中生成的電流脈沖應(yīng)用于神經(jīng)組織以通過(guò)多個(gè)可選電極來(lái)刺激組織。對(duì)于許多應(yīng)用而言，由于所需的電流脈沖振幅以及受刺激組織的阻抗和電極的阻抗，所以刺激器需要高恒流輸出電壓。恒流輸出電壓是指在電極處可提供的電壓，該電壓可用于迫使電流流經(jīng)電極并且仍維持對(duì)電極電壓的控制。
[0004]在許多應(yīng)用中，電極電壓的測(cè)量對(duì)于維持刺激器電路的運(yùn)行完整性而言是必要的。例如在測(cè)量和確定組織阻抗和電極阻抗以及檢測(cè)涉及電極的短路或開(kāi)路是否存在時(shí)，應(yīng)當(dāng)需要此類樣本。為適應(yīng)生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中通常所用的數(shù)字處理電路，通常需要將一般由電極感測(cè)的模擬信號(hào)數(shù)字化。然而，通常使用低壓晶體管來(lái)設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以使晶粒面積以及功率消耗最小化。因此，不能將高電極電壓直接數(shù)字化。需要使電極電壓衰減至ADC的輸入電壓范圍。
[0005]實(shí)現(xiàn)衰減的常用技術(shù)是使用電阻分壓器來(lái)將高電極電壓分壓成較低的電壓。然而，這個(gè)技術(shù)不適用于FES應(yīng)用，因?yàn)樗鼤?huì)將電流從刺激器中抽出，并且因此影響刺激器的刺激脈沖振幅以及輸出阻抗。為緩解這些問(wèn)題，可在刺激器與分壓器之間增設(shè)電壓緩沖器[參見(jiàn) Lee, E.，“High Voltage Tolerant Stimulat1n Monitoring Circuit inConvent1nal CMOS Process，，，Proc.0f the IEEE 2009Int.Custom Integrated CircuitsConference (CICC)，pp.93-96，Sept.2009 (Lee, E.，“常規(guī) CMOS 工藝中的耐高壓刺激監(jiān)控電路”，IEEE 2009年國(guó)際定制集成電路會(huì)議論文集(CICC)，第93-96頁(yè)，2009年9月)]。然而，由于對(duì)高壓軌至軌運(yùn)算放大器(運(yùn)放器)的需求，所以難以設(shè)計(jì)此類電壓緩沖器。
[0006]另一可能的技術(shù)是將兩個(gè)開(kāi)關(guān)電容器(SC)用作兩個(gè)獨(dú)立的電阻器以形成分壓器。以此方式，便不會(huì)從刺激器中抽出直流電流。然而，開(kāi)關(guān)的電荷注入和在兩個(gè)SC的連接節(jié)點(diǎn)處的非線性寄生電容將影響衰減增益的準(zhǔn)確性以及分壓器的線性。此外，ADC通常具有相當(dāng)大的輸入電容。在ADC輸入連接至SC分壓器時(shí)，將影響衰減器的實(shí)際衰減因數(shù)。因此，不是使用簡(jiǎn)單的SC分壓器，而是通常使用電壓增益等于所需衰減因數(shù)的SC放大器[參見(jiàn)Lee, E.，Dai, R.，Reeves, N.，and Yun，X.，‘‘A 36V Biphasic Stimulator with ElectrodeMonitoring Circuit，，，Proc.0f the 2012IEEE Int.Symposium on Circuits and Systems, ppl087-1090, May2012 (Lee, E.、Dai, R.,Reeves1N.和 Yun, X.，“具有電極監(jiān)控電路的 36V雙相刺激器”，2012年IEEE國(guó)際電路與系統(tǒng)研討會(huì)論文集，第1087-1090頁(yè)，2012年5月)]。SC放大器不僅用于驅(qū)動(dòng)ADC，而且還可用于消除寄生電容效應(yīng)以及可能的電荷注入效應(yīng)。然而，這個(gè)設(shè)計(jì)需要額外的電源來(lái)對(duì)SC放大器供電。
[0007]在不同的ADC架構(gòu)中，使用SC陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器的逐次逼近型ADC是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的常用架構(gòu)，因?yàn)樗槍?duì)大多數(shù)生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中所需的采樣速率需要低功率消耗?；谶@種類型的ADC，可以將衰減功能組合到ADC中?？稍谠瓉?lái)的ADC架構(gòu)的輸入處以與SC陣列串聯(lián)的方式增設(shè)額外的開(kāi)關(guān)電容器[Thomas Paul Kearney，“Programmable Input RangeSAR ADC"(可編程輸入范圍SAR ADC)，美國(guó)專利N0.6，731，232]。通過(guò)正確控制時(shí)鐘相位，可實(shí)現(xiàn)衰減。由于ADC的輸入電容(SC陣列的電容)現(xiàn)在成為了衰減器的一部分，因此不需要緩沖器或SC放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)ADC輸入。然而，由于開(kāi)關(guān)的非線性寄生電容和電荷注入，所以衰減因數(shù)的準(zhǔn)確性仍受到影響。因此，在一些情況下，所需要的可能是新型且新穎的逐次逼近型ADC架構(gòu)，以彌補(bǔ)上文所述的技術(shù)中所存在的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的一個(gè)非限制性實(shí)施例包括差分放大器，差分放大器可根據(jù)ADC的特定運(yùn)行模式而配置為運(yùn)放器或比較器。具有Cl的電容值的輸入電容器可切換地耦合至電極和差分放大器的第二輸入(負(fù)輸入)，其中電極被選擇用于電壓采樣。將基準(zhǔn)電壓施加至差分放大器的第一輸入(正輸入)。具有C2的總電容值的開(kāi)關(guān)電容器陣列跨第二輸入和差分放大器輸出而耦合。開(kāi)關(guān)電容器陣列可為用于ADC用途的二元加權(quán)陣列。逐次逼近型寄存器耦合至開(kāi)關(guān)電容器陣列和差分放大器輸出并提供對(duì)應(yīng)于采樣電極模擬電壓的數(shù)字輸出。
[0009]在一些情況下，在采樣間隔期間，輸入電容器被充電至采樣電極模擬電壓。同時(shí)，差分放大器被配置為運(yùn)放器，使得在第二輸入處建立虛擬接地端，該虛擬接地端提供了用于將輸入電容器充電到最高至采樣電極模擬電壓的路徑。
[0010]在一些情況下，在傳送間隔期間，在將差分放大器維持被配置為運(yùn)放器的同時(shí)，輸入電容器上的電壓乘以比率C1/C2被傳送至開(kāi)關(guān)電容器陣列。
[0011]在一些情況下，在模數(shù)轉(zhuǎn)換間隔期間，差分放大器被配置為比較器，并且開(kāi)關(guān)電容器陣列、逐次逼近型寄存器及比較器執(zhí)行電極模擬電壓到等效數(shù)字輸出的轉(zhuǎn)換。
[0012]在一個(gè)實(shí)施例中，本公開(kāi)內(nèi)容涉及周?chē)踩胧缴窠?jīng)刺激系統(tǒng)。周?chē)踩胧缴窠?jīng)刺激系統(tǒng)可包括多條引線，該引線可各自包括至少一個(gè)電極、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、和一體式開(kāi)關(guān)電容器放大器，其中模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以包括(例如)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在一些實(shí)施例中，逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一體式開(kāi)關(guān)電容器放大器可共享共用的差分放大器。在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括可生成一個(gè)或若干個(gè)電脈沖的脈沖發(fā)生器。在一些實(shí)施例中，脈沖發(fā)生器連接至引線，使得電脈沖傳輸至所述至少一個(gè)電極。
[0013]在一些實(shí)施例中，周?chē)踩胧缴窠?jīng)刺激系統(tǒng)可包括逐次逼近型寄存器。在周?chē)踩胧缴窠?jīng)刺激系統(tǒng)的一些實(shí)施例中，逐次逼近型寄存器可包括邏輯信號(hào)發(fā)生器，邏輯信號(hào)發(fā)生器可生成第一信號(hào)和第二信號(hào)，其中第一信號(hào)指導(dǎo)差分放大器在第一周期期間作為運(yùn)放器運(yùn)行，第二信號(hào)指導(dǎo)差分放大器在第二周期期間作為比較器運(yùn)行。在一些實(shí)施例中，周?chē)踩胧缴窠?jīng)刺激系統(tǒng)可在引線與模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間包括輸入電容器，輸入電容器可在第一周期期間充電。在一些實(shí)施例中，輸入電容器可在第一周期期間并且繼輸入電容器的充電之后放電，并且電荷可傳送至開(kāi)關(guān)電容器陣列。
[0014]在一個(gè)實(shí)施例中，本公開(kāi)內(nèi)容涉及植入式電刺激系統(tǒng)。該植入式電刺激系統(tǒng)可包括脈沖發(fā)生器、電極陣列、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、和控制器，其中脈沖發(fā)生器可生成一個(gè)或若干個(gè)電脈沖，電極陣列可輸出所述一個(gè)或若干個(gè)電脈沖，模數(shù)轉(zhuǎn)換器可將與電極陣列的電極中的至少一者相關(guān)聯(lián)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并且可包括可重新配置的差分放大器，控制器可在運(yùn)算放大器模式與比較器模式之間重新配置差分放大器。
[0015]在植入式電刺激系統(tǒng)的一些實(shí)施例中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器可包括共享共用的差分放大器的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器和開(kāi)關(guān)電容器放大器。在一些實(shí)施例中，植入式電刺激系統(tǒng)可包括逐次逼近型寄存器。
[0016]在植入式電刺激系統(tǒng)的一些實(shí)施例中，控制器可生成第一信號(hào)和第二信號(hào)，其中第一信號(hào)指導(dǎo)可重新配置的差分放大器在第一周期期間作為運(yùn)放器運(yùn)行，第二信號(hào)指導(dǎo)差分放大器在第二周期期間作為比較器運(yùn)行。在一些實(shí)施例中，植入式電刺激系統(tǒng)可包括連接引線和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入電容器，該輸入電容器可在第一周期期間充電。在一些實(shí)施例中，輸入電容器在第一周期期間并且繼輸入電容器的充電之后放電，并且電荷可傳送至開(kāi)關(guān)電容器陣列。
[0017]在一個(gè)實(shí)施例中，本公開(kāi)內(nèi)容涉及治療神經(jīng)性疼痛的方法。治療神經(jīng)性疼痛的方法可包括由所植入的脈沖發(fā)生器以及至少一個(gè)電極來(lái)將至少一個(gè)電脈沖遞送至在神經(jīng)附近或神經(jīng)處的身體組織，使用差分放大器來(lái)感測(cè)所述至少一個(gè)電脈沖的模擬屬性，所述差分放大器被配置成運(yùn)算放大器模式，以及使用被配置成比較器模式的差分放大器來(lái)將所感測(cè)的模擬屬性轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。
[0018]在治療神經(jīng)性疼