用于刺激伪迹控制的采集前端信号处理电路、方法及芯片与流程

本申请属于神经接口集成电路，涉及一种用于刺激伪迹控制的采集前端信号处理电路、方法及芯片。

背景技术：

1、在具备采集和刺激一体的神经调控系统中，比如脑脊接口、脑深部刺激或心脏起搏器等，采集前端可能需要同时面对高压刺激脉冲（通常为数伏至数十伏）与微弱的生理信号（通常为微伏至毫伏级）。当刺激脉冲经由电极耦合至采集前端时，产生的高压刺激脉冲会产生巨大的刺激伪迹，而引发采集前端电路被击穿的风险，或导致采集前端的放大器输出饱和，使得放大器需要花费很长的时间从饱和状态恢复到正常的工作状态，造成放大器的输出直流工作点偏移，因而产生信号质量恶化，或严重的信号采集中断等问题。

2、因此，需要一种结合刺激伪迹控制的采集前端信号处理方案，在原有采集链路基础上通过协同工作的开关以分时方式保护前端放大器，使其免受刺激脉冲影响，并能在刺激结束后快速恢复采集。

技术实现思路

1、本申请提供一种用于刺激伪迹控制的采集前端信号处理电路、方法及芯片，用以解决现有技术中采集前端在高压刺激脉冲下存在击穿风险、放大器饱和及恢复时间长的技术问题。

2、第一方面，本申请提供一种用于刺激伪迹控制的采集前端信号处理电路，包括：针对每个采集通道设置的低噪声放大器、低通滤波器以及第一开关组和第二开关组；所述第一开关组设置于所述低噪声放大器与采集电极之间，所述第二开关组设置于所述低噪声放大器的差分输入端与共模参考电压或地之间；所述采集前端信号处理电路具有采集状态和刺激保护状态：在所述采集状态下，所述第一开关组闭合且所述第二开关组断开，使神经信号经采集电极、所述第一开关组、所述低噪声放大器和所述低通滤波器后输出至模数转换器；在所述刺激保护状态下，所述第一开关组断开且所述第二开关组闭合，以阻断电刺激信号经采集电极传入所述低噪声放大器，并通过所述第二开关组将所述低噪声放大器的输入端短接共模参考电压或地，以阻断采集前端通道间的串扰。

3、在第一方面的一种实现方式中，所述第一开关组包括：四个串联隔离开关，分别设置于所述低噪声放大器的差分输入端与采集电极之间，用于在所述刺激保护状态下断开以物理隔离高压刺激脉冲。

4、在第一方面的一种实现方式中，所述第二开关组包括：两个并联短路开关，设置于所述低噪声放大器的差分输入端与共模参考电压或地之间，用于在所述刺激保护状态下闭合以将所述低噪声放大器的输入端短接至低阻抗电位，泄放电极残余电荷并防止输入端悬空。

5、在第一方面的一种实现方式中，所述采集前端还包括两个复位开关，设置于所述低噪声放大器的输出端与反相输入端之间，用于在所述刺激保护状态下闭合，将所述低噪声放大器的输出端与其反相输入端短接，强制所述低噪声放大器切换至单位增益缓冲模式，以避免所述低噪声放大器内部节点因过驱电压而深度饱和；在所述采集状态下断开，使所述低噪声放大器工作于正常放大模式。

6、在第一方面的一种实现方式中，所述采集前端还包括：可调增益放大器，连接于所述低噪声放大器的输出端，用于对所述低噪声放大器输出的信号进行增益调节。

7、在第一方面的一种实现方式中，所述采集前端还包括：级间隔离开关，设置于所述低噪声放大器的输出端与所述可调增益放大器的输入端之间，用于在所述刺激保护状态下断开，以阻断高压刺激脉冲残余影响传递至所述可调增益放大器；在所述采集状态下闭合，使所述低噪声放大器输出的信号传输至所述可调增益放大器。

8、在第一方面的一种实现方式中，所述可调增益放大器为电容耦合式可编程增益放大器；所述电容耦合式可编程增益放大器的输入端与共模电压之间连接有伪电阻，用于在所述级间隔离开关断开时为所述可调增益放大器提供稳定的直流偏置路径。

9、在第一方面的一种实现方式中，所述低通滤波器连接于所述可调增益放大器的输出端与模数转换器的输入端之间，用于对经所述可调增益放大器放大后的信号进行滤波处理。

10、第二方面，本申请提供一种用于刺激伪迹控制的采集前端信号处理方法，应用于如上所述的电路，所述方法包括：在采集状态下，控制第一开关组闭合且第二开关组断开，使生理信号经采集电极、所述第一开关组、低噪声放大器和低通滤波器后输出至模数转换器；在刺激保护状态下，控制所述第一开关组断开且所述第二开关组闭合，以阻断电刺激信号经采集电极传入所述低噪声放大器，并通过所述第二开关组将所述低噪声放大器的差分输入端短接至共模参考电压或地，以泄放电极残余电荷并防止输入端悬空。

11、第三方面，本申请提供一种芯片，包括：所述的用于刺激伪迹控制的采集前端信号处理电路。

12、如上所述，本申请所述的用于刺激伪迹控制的采集前端信号处理电路、方法及芯片，具有以下有益效果：

13、1、本申请通过将第一开关组设置于低噪声放大器与采集电极之间、第二开关组设置于低噪声放大器的差分输入端与共模参考电压或地之间，并控制两组开关在采集状态与刺激保护状态下分时互补切换，使第一开关组在刺激保护状态下断开以物理隔离高压刺激脉冲，同时第二开关组闭合以将低噪声放大器的差分输入端短接至共模参考电压或地。相较于现有采用保护二极管或单一开关的方案，本申请通过输入级串并联开关的协同工作，能够有效隔离高达数十伏的刺激脉冲，确保低压制程元件免受击穿；同时避免了放大器因过驱电压而进入深度饱和区，使采集前端于刺激结束后的建立时间由传统方案的数十至数百毫秒显著缩短至毫秒等级，实现了刺激结束后的快速恢复采集，保障了刺激-采集交替模式下生理信号采样的连续性和完整性，大幅提升了系统可靠性，有效解决了现有技术中采集前端在高压刺激脉冲下存在击穿风险、放大器饱和及恢复时间长的技术问题。

14、2、本申请中串联隔离开关从物理上切断高压入侵路径，并联短路开关将输入端钳位至低阻抗电位以泄放残余电荷并防止悬空，复位开关强制低噪声放大器切换至单位增益缓冲模式以避免内部节点深度饱和，三者协同工作，使放大器在刺激结束后能够立即以正确的直流工作点恢复正常放大，进一步缩短了恢复时间，提升了信号采集的可靠性。

15、3、本申请通过设置级间隔离开关于低噪声放大器输出端与可调增益放大器输入端之间，并在电容耦合式可编程增益放大器的输入端与共模电压之间设置伪电阻，使级间隔离开关断开时仍能为可调增益放大器提供稳定的直流偏置路径，确保了后级信号链的直流工作点不因前级波动而悬浮或漂移，也避免了传统方案中因级间信号通路断开导致后级放大器直流工作点偏移、需要重新建立偏置的问题，进一步保障了刺激结束后采集信号的快速恢复和信号质量。

1.一种用于刺激伪迹控制的采集前端信号处理电路，其特征在于，包括：针对每个采集通道设置的低噪声放大器、低通滤波器以及第一开关组和第二开关组；

2.根据权利要求1所述的用于刺激伪迹控制的采集前端信号处理电路，其特征在于，所述第一开关组包括：

3.根据权利要求1所述的用于刺激伪迹控制的采集前端信号处理电路，其特征在于，所述第二开关组包括：两个并联短路开关，设置于所述低噪声放大器的差分输入端与共模参考电压或地之间，用于在所述刺激保护状态下闭合以将所述低噪声放大器的输入端短接至低阻抗电位，泄放电极残余电荷并防止输入端悬空。

4.根据权利要求1所述的用于刺激伪迹控制的采集前端信号处理电路，其特征在于，所述采集前端还包括两个复位开关，设置于所述低噪声放大器的输出端与反相输入端之间，用于在所述刺激保护状态下闭合，将所述低噪声放大器的输出端与其反相输入端短接，强制所述低噪声放大器切换至单位增益缓冲模式，以避免所述低噪声放大器内部节点因过驱电压而深度饱和；在所述采集状态下断开，使所述低噪声放大器工作于正常放大模式。

5.根据权利要求1所述的用于刺激伪迹控制的采集前端信号处理电路，其特征在于，所述采集前端还包括：

6.根据权利要求5所述的用于刺激伪迹控制的采集前端信号处理电路，其特征在于，所述采集前端还包括：

7.根据权利要求6所述的用于刺激伪迹控制的采集前端信号处理电路，其特征在于，所述可调增益放大器为电容耦合式可编程增益放大器；所述电容耦合式可编程增益放大器的输入端与共模电压之间连接有伪电阻，用于在所述级间隔离开关断开时为所述可调增益放大器提供稳定的直流偏置路径。

8.根据权利要求5所述的用于刺激伪迹控制的采集前端信号处理电路，其特征在于，所述低通滤波器连接于所述可调增益放大器的输出端与模数转换器的输入端之间，用于对经所述可调增益放大器放大后的信号进行滤波处理。

9.一种用于刺激伪迹控制的采集前端信号处理方法，应用于如权利要求1至权利要求8任一权利要求所述的电路，其特征在于，所述方法包括：

10.一种芯片，其特征在于，包括：权利要求1至8任一项所述的用于刺激伪迹控制的采集前端信号处理电路。