一种用于神经电刺激的改进型指数上升波形产生电路

本发明涉及集成电路，尤其是涉及一种用于神经电刺激的改进型指数上升波形产生电路。

背景技术：

1、传统的医疗设备面临着缺乏精准地无创地对患处进行治疗的手段的困境。在生物医疗领域，神经刺激器能够有针对性地对生物组织输送电荷，引起对应位置上的神经活动，从而影响生物体。目前，生物医疗技术已经广泛应用于癫痫的检测与抑制、人工视网膜假体和人工耳蜗等领域。

2、现如今对于动态记忆处理所需的全脑网络刺激，有着对于实现仿生波形刺激（类似生物体本身神经活动的刺激）的重大需求。仿生波形刺激由指数上升波形和指数衰减波形两部分构成。然而，目前采用亚阈值方案和纯电流方案的指数上升波形产生电路存在着更高的功耗、更小的输出范围、更慢的响应速度和更容易受到温度影响等不利因素，难以适用于更多的生物医疗领域。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于神经电刺激的改进型指数上升波形产生电路，解决了目前指数上升电流产生电路功耗高、输出范围小、响应速度慢以及易受温度影响的问题，具有输出范围大、受温度影响小、响应速度快和低功耗等特点，可以良好的应用于生物医疗领域。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种用于神经电刺激的改进型指数上升波形产生电路，包括恒定电流组、时间相关电流组和放大电流组；

3、恒定电流组由晶体管五和晶体管六构成，用于提供泰勒近似所构成指数上升电流的表达式中的常数项；晶体管六漏极和栅极短接，与恒定电流基准相连；晶体管五和晶体管六的栅极相连，且源极全部接地；晶体管五的漏极电流与晶体管二的漏极电流构成指数上升电流；恒定电流基准连接至电源电压；

4、时间相关电流组由晶体管一、晶体管二、电容、开关一、开关二、晶体管三和晶体管四构成，用于提供泰勒近似所构成指数上升电流的表达式中的上升项；晶体管一漏极和栅极短接，一端与时间相关电流基准和开关一相连，源极连接到地；晶体管二的漏极电流与晶体管五的漏极电流构成指数上升电流，栅极连接到开关一、开关二和电容，源极连接到地；电容的一端连接到开关一、开关二和晶体管二的一端，另一端连接到地；开关一的一端连接到晶体管一，另一端连接到开关二、晶体管二和电容；开关二的一端连接到开关一、晶体管二和电容的一端，另一端连接到晶体管四的一端；晶体管三漏极和栅极短接，一端与充电电流基准和晶体管四相连，源极连接到电源电压；晶体管四的栅极连接到晶体管三的一端，源极连接到电源电压，漏极连接到开关二；

5、放大电流组由晶体管七和晶体管八构成，用于将恒定电流组和时间相关电流组所产生的指数上升电流进行放大，产生最终的指数上升电流；晶体管七漏极和栅极短接，一端与晶体管二和晶体管五的漏极相连以及晶体管八相连，源极连接到电源电压；晶体管八一端和晶体管七相连，漏极电流为最终输出的指数上升电流，源极连接到电源电压；

6、恒定电流基准为恒定电流组提供电流基准；时间相关电流基准为时间相关电流组提供电流基准；充电电流基准为时间相关电流组提供电流基准。

7、优选的，晶体管一、晶体管二、晶体管五和晶体管六均为nmos晶体管，晶体管三、晶体管四、晶体管七和晶体管八均为pmos晶体管，最终的输出电流为拉电流。

8、优选的，晶体管一、晶体管二、晶体管三、晶体管四、晶体管五、晶体管六、晶体管七和晶体管八均工作在饱和区。

9、优选的，充电电流基准的电流值比恒定电流基准和时间相关电流基准小若干个数量级，以通过充电电流基准缓慢地向电容注入电荷从而提高晶体管二的栅极电压，增加最终的输出电流的指数上升电流脉宽。

10、优选的，时间相关电流基准与恒定电流基准之间不相等，恒定电流基准大于时间相关电流基准，以增加最终的输出电流的指数上升电流脉宽。

11、优选的，开关一和开关二均为晶体管开关，根据栅极电压控制开启和关断，以便于芯片集成和数字化控制。

12、优选的，时间相关电流组和恒定电流组中构成电流镜的晶体管之间，尺寸和物理参数能够根据实际需求进行设置。

13、优选的，放大电流组通过晶体管七和晶体管八之间的比例控制最终输出的电流的初始输出电流的大小，从而使指数上升电流的输出范围扩展数倍。

14、优选的，本电路的产生方法，包括以下步骤：

15、s1、初始状态下所有开关均处于断开状态，电流输出由恒定电流组决定，此时输出为恒定电流；

16、s2、闭合开关一，电流输出由恒定电流组、时间相关电流基准、晶体管一和晶体管二决定，此时为恒定电流；

17、s3、根据应用确定所需电流的输出范围，利用晶体管七和晶体管八之间的比例控制最终输出的电流的初始输出电流的大小，此时最终输出的电流如下所示，选择时间相关电流组和恒定电流组中电流镜输入和输出倍数为1，其中和分别为时间相关电流基准和恒定电流基准输出的基准电流：

18、=；

19、；

20、将和用工作在饱和区的nmos晶体管二和nmos晶体管五的电流电压方程代替得到，其中为晶体管的特征参数，和为晶体管五和晶体管二的栅极电压，为晶体管的开启电压：

21、；

22、；

23、s4、断开开关一，由于电容储存了电荷，时间相关电流组的晶体管二的栅极电压保持不变，时间相关电流组所提供的电流保持不变，最终的输出电流保持不变；

24、s5、闭合开关二，充电电流基准开始对时间相关电流组产生影响，电荷通过充电电流基准、晶体管三和晶体管四的通路注入到电容中，晶体管二的栅极电压随时间不断上升，此时时间相关电流组和恒定电流组的输出电流为通过泰勒近似方案得到的随时间连续上升的指数电流，即指数上升电流，其中为充电电流基准输出的基准电流，为电容的电容值：

25、；

26、根据给定电流基准不同，电路中的大于，两者均为恒定的常数，且由于晶体管二和晶体管五的物理参数完全一致，和的差值也为常数，将该常数假定为，并带入计算得到：

27、；

28、由此得到随时间指数上升的电流，再经放大电流组放大后，在输出端得到最终的指数上升电流波形。

29、因此，本发明采用上述结构的一种用于神经电刺激的改进型指数上升波形产生电路，具备以下有益效果：

30、（1）本发明具有更大的输出范围，能够满足生物医疗领域对于引起神经活动的需求。同时由于更大的输出范围，延长了指数上升电流波形的脉冲宽度，可以保证神经刺激器稳定地工作在更多的医疗领域。

31、（2）本发明具有更快的响应速度，同时相较于基于纯电流方案的指数上升电流产生电路，具有更低的功耗。

32、（3）本发明在温度的影响下，指数上升电流波形的变化更小，能够适用于更广泛的生物医疗应用场景。在-40℃到80℃下，波形偏移仅25%，而采用亚阈值方案的指数上升波形在0℃到50℃下偏移达473%。

33、（4）本发明的电路结构简单，面积小，可以与神经刺激器中的其他电路共用电容，节省面积。同时控制端少，利于芯片中的控制。

34、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。