本发明公开了一种集成双极性神经刺激脉冲发生器，包括微处理器及其开关信号控制的基准微电流源、多档镜像微电流阱和多路多档镜像电流源，以及镜像微电流源、脉冲宽度调制(PWM)电平提升电路和H‑桥。所述微处理器的PWM信号首先经所述PWM电平提升电路进行电平提升，然后送给所述H‑桥。所述多档镜像微电流阱是基准微电流源的镜像电流源；所述多档镜像微电流阱与镜像微电流源构成组合电流源；所述多路多档镜像电流源是镜像微电流源的镜像电流源，并将其电流输送给所述H‑桥，以输出频率、占空比和幅度可调的双极性神经刺激脉冲。本发明基于集成电路制造工艺，其构造紧凑，体积较小，使用方便。
1.一种集成双极性神经刺激脉冲发生器，其特征在于：由微处理器(10)，基准微电流源(20)、多档镜像微电流阱(30)、镜像微电流源(40)、多路多档镜像电流源(50)、脉冲宽度调制电平提升电路(60)和H-桥(70)组成；其中，所述微处理器(10)分别与所述基准微电流源(20)、多档镜像微电流阱(30)、多路多档镜像电流源(50)和PWM电平提升电路(60)连接；
所述基准微电流源(20)由依次串联的电阻、开关管和NMOS管构成，所述开关管受所述微处理器(10)开关信号的控制，所述基准微电流源(20)还与所述多档镜像微电流阱(30)连接，且所述多档镜像微电流阱(30)是所述基准微电流源(20)的镜像电流源；所述多档镜像微电流阱(30)由多个NMOS管和多个与之各自相连的开关管构成，且每个NMOS管分别为所述基准微电流源(20)中NMOS管的镜像，即两者的栅极和源极各自对应相连；
所述多档镜像微电流阱(30)还与所述镜像微电流源(40)连接，且所述多档镜像微电流阱(30)与镜像微电流源(40)构成组合电流源；
所述镜像微电流源(40)由单个NMOS管构成；所述镜像微电流源(40)还与所述多路多档镜像电流源(50)连接，且所述多路多档镜像电流源(50)是所述镜像微电流源(40)的镜像电流源；
所述多路多档镜像电流源(50)由两路相同的多档镜像电流源构成；其中每路所述多档镜像电流源由多个PMOS管和多个与之各自相连的开关管构成，其开关管受所述微处理器(10)开关信号的控制；所述多路多档镜像电流源(50)还与所述H-桥(70)连接，将其输出的电流输送给所述H-桥(70)；
所述脉冲宽度调制电平提升电路(60)由两路相同的电平转移电路构成，且每路电平转移电路由两级级联的反相器构成；所述脉冲宽度调制电平提升电路(60)还与所述H-桥(70)连接，将提升电平输送给所述H-桥(70)；
所述H-桥(70)由四个开关管构成H-桥型电路；所述H-桥(70)输出频率、占空比和幅度可调的双极性神经刺激脉冲。
2.根据权利要求1所述的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器，其特征在于：所述微处理器(10)至少包括输入/输出I/O口(101)和多路PWM口(102)；其中所述I/O口(101)产生的开关信号分别控制所述基准微电流源(20)、多档镜像微电流阱(30)和多路多档镜像电流源(50)的运行；所述多路PWM口(102)产生的多路PWM信号输出至所述脉冲宽度调制电平提升电路(60)进行电平提升，再输送给所述H-桥(70)。
3.根据权利要求2所述的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器，其特征在于：所述I/O口(101)包括用于控制所述多档镜像微电流阱(30)和所述多路多档镜像电流源(50)的档位选择按键或开关。
4.根据权利要求1所述的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器，其特征在于：所述多档镜像微电流阱(30)的每档电流为所述基准微电流源(20)能产生基准电流的倍数。
5.根据权利要求1所述的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器，其特征在于：所述多路多档镜像电流源(50)每档电流为所述镜像微电流源(40)所产生电流的倍数。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器，其特征在于：
所述刺激脉冲发生器的刺激电流脉冲的幅度范围为10μA～30mA，刺激电流步长为10μA/100μA/1000μA/2000μA五档。
7.根据权利要求1-5任一项所述的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器，其特征在于：
所述刺激脉冲发生器的刺激脉冲的频率范围为1～1000Hz，刺激频率步长1Hz。
8.根据权利要求1-5任一项所述的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器，其特征在于：
所述刺激脉冲发生器的刺激脉冲的脉宽范围为1～1000μs，刺激脉宽步长1μs。
一种集成双极性神经刺激脉冲发生器
技术领域
[0001] 本发明属于生物医疗电子器械技术领域，具体涉及一种集成双极性神经刺激脉冲发生器。
背景技术
[0002] 现有的单极性神经刺激脉冲发生器具有以下技术缺点：1)基于分离元件构建的神经刺激脉冲发生器体积较大，不能满足医疗器械小型化的要求；2)传统的神经刺激脉冲发生器可调范围小，不能激活所有神经元。例如部分神经类疾病需要高于20mA的刺激电流，还有些疾病需要低于100μA的刺激电流，一般的神经刺激脉冲发生器很难达到如此宽的可调幅度；3)传统的神经刺激脉冲发生器中用于产生频率、占空比和幅度可调脉冲的辅助电路(如基准电流源和镜像电流源等)的功耗较大。
[0003] 本发明的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器，目前尚无相关的文献介绍，亦未搜索到相关的专利文件。
发明内容
[0004] 本发明的目的是为克服以上技术缺陷，提供一种集成双极性神经刺激脉冲发生器。
[0005] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0006] 一种集成双极性神经刺激脉冲发生器，由微处理器(MCU)10，基准微电流源20、多档镜像微电流阱30、镜像微电流源40、多路多档镜像电流源50、脉冲宽度调制(PWM)电平提升电路60和H-桥70组成；其中，
[0007] 所述微处理器10分别与所述基准微电流源20、多档镜像微电流阱30、多路多档镜像电流源50和PWM电平提升电路60连接；所述微处理器10主要产生多路开关控制信号和多路脉冲宽度调制(PWM)信号，至少包括输入/输出I/O口101和多路PWM口102；其中所述I/O口101产生的开关信号分别控制所述基准微电流源20、多档镜像微电流阱30和多路多档镜像电流源50的运行；所述多路PWM口102产生的多路PWM信号首先输出至所述PWM电平提升电路
60进行电平提升，然后输送给所述H-桥70，控制其运行；
[0008] 所述基准微电流源20由依次串联的电阻、开关管和NMOS管构成，其开关管受所述微处理器I/O口101开关信号的控制。所述基准微电流源20还与所述多档镜像微电流阱30连接，且所述多档镜像微电流阱30是所述基准微电流源20的镜像电流源；所述多档镜像微电流阱30由多个NMOS管和多个与之各自相连的开关管构成，且每个NMOS管分别为所述基准微电流源20中NMOS管的镜像(即两者的栅极和源极各自对应相连)，其开关管受所述微处理器I/O口101开关信号的控制。
[0009] 所述多档镜像微电流阱30还与所述镜像微电流源40连接，且所述多档镜像微电流阱30与镜像微电流源40构成组合电流源；所述镜像微电流源40由单个NMOS管构成。
[0010] 所述镜像微电流源40还与所述多路多档镜像电流源50连接，且所述多路多档镜像电流源50是所述镜像微电流源40的镜像电流源；所述多路多档镜像电流源50由两路相同的多档镜像电流源构成；其中每路所述多档镜像电流源由多个PMOS管和多个与之各自相连的开关管构成，其开关管受所述微处理器I/O口101开关信号的控制。
[0011] 所述多档镜像微电流阱30和所述多路多档镜像电流源50的档位由所述I/O口101控制，且所述多档镜像微电流阱30的每档电流为所述基准微电流源20能产生基准电流的倍数；所述多路多档镜像电流源50每档电流为所述镜像微电流源40所产生电流的倍数；
[0012] 所述多路多档镜像电流源50还与所述H-桥70连接，将其输出的电流输送给所述H-桥70。
[0013] 所述脉冲宽度调制(PWM)电平提升电路60由两路相同的电平转移电路构成，且每路电平转移电路由两级级联的反相器构成。
[0014] 所述H-桥70由四个开关管构成H-桥型电路。所述H-桥70输出频率、占空比和幅度可调的双极性神经刺激脉冲。
[0015] 所述刺激脉冲发生器的刺激电流脉冲的幅度(Iamp)范围为10μA～30mA，刺激电流步长为10μA/100μA/1000μA/2000μA五档可选。
[0016] 所述刺激脉冲发生器的刺激脉冲的顺从电压范围为0～12V。
[0017] 所述刺激脉冲发生器的刺激脉冲的频率(1/T)范围为1～1000HZ，刺激频率步长1HZ。
[0018] 所述刺激脉冲发生器的刺激脉冲的脉宽(W)范围为1～1000μs，刺激脉宽步长1μs。
[0019] 本发明的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器的使用方法：
[0020] 首先，在所述微处理器(MCU)10中设置用于产生PWM的时钟频率以及与之相应计数器和寄存器的时间值，预置多路PWM的频率(1/T，1～1000HZ)、脉宽(W，1～1000μs)和每两路PWM之间的死区时间(TD，0.1～0.5μs)，并通过所述多路PWM口102输出多路PWM信号；其次，设置所述微处理器(MCU)的I/O口101的开关信号(S7～S0)，预置所述多档镜像微电流阱30的刺激电流步长(S7～S4，对应10μA/100μA/1000μA/2000μA)和所述多路多档镜像电流源50的刺激电流脉冲幅度(S3～S0，范围10μA～30mA)；最后，设置所述微处理器(MCU)的I/O口101的开关信号(S8)启动所述基准微电流源20运作，从而在所述H-桥70输出预置频率、占空比和幅度的双极性神经刺激脉冲。
[0021] 本发明的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器具有如下优点和有益效果：
[0022] 1)由于本发明的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器的所有组件均基于集成电路制造工艺集成，因此其体积较小；
[0023] 2)由于本发明的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器具有多档可调的电流源，其刺激电流脉冲的幅度范围为10μA～30mA，因此具有脉冲幅度可调范围大的特点；
[0024] 3)由于本发明的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器的基准微电流源20、多档镜像微电流阱30和镜像微电流源40等电路所消耗的电流很小，在μA级别，因此用于产生频率、占空比和幅度可调脉冲的辅助电路的功耗较小。
附图说明
[0025] 图1为本发明的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器的组成示意框图。
[0026] 图2为本发明的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器的组成连接示意图。
[0027] 图3为本发明的一种集成双极性神经刺激脉冲发生器中多路PWM口102产生的PWM信号(PWM00，PWM01)和H-桥70输出的神经刺激脉冲波形(NS+，NS+)图。
具体实施方式
[0028] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0029] 如图1和2所示，一种集成双极性神经刺激脉冲发生器，由微处理器(MCU)10，基准微电流源20、多档镜像微电流阱30、镜像微电流源40、多路多档镜像电流源50、脉冲宽度调制(PWM)电平提升电路60和H-桥70组成。
[0030] 上述所有组件基于任意一种CMOS(如SMIC0.18μm CMOS)工艺同时制造。
[0031] 所述微处理器10主要产生多路开关控制信号和多路脉冲宽度调制(PWM)信号，至少包括输入/输出(I/O)口101和多路PWM口102。
[0032] 所述基准微电流源20由CMOS中的NMOS管M201、M202和电阻R201构成，其中M201受所述I/O口101的一路开关信号(S8)控制；
[0033] 所述多档镜像微电流阱30由NMOS管M301～M308构成，其中M301～M304分别为M202的镜像，且M301～M304的栅宽分别为M202栅宽的1、10、100和200倍；M305～M308受所述I/O口101的四路开关信号(S4～S7)控制；
[0034] 所述镜像微电流源40与多档镜像微电流阱30构成组合电流源，由NMOS管M401构成；
[0035] 所述多路多档镜像电流源50由两路相同的多档镜像电流源501和520构成；其中所述多档镜像电流源501由PMOS管M5011～M5014和NMOS管M5015～M5018构成，且M5011～M5014的栅宽分别为M401栅宽的10、20、30和40倍；M5015～M5018受所述I/O口101的四路开关信号(S3～S0)控制。所述多路多档镜像电流源502由PMOS管M5021～M5024和NMOS管M5025～M5028构成，且M5021～M5024的栅宽分别为M401栅宽的10、20、30和40倍；M5025～M5028受所述I/O口101的四路开关信号(S3～S0)控制；
[0036] 所述脉冲宽度调制电平提升电路60由包括两个相同的PWM电平转移电路601和602构成，完成PWM信号的电平提升。其中所述PWM电平转移电路601由NMOS管M6011、M6012和电阻R6011、R6012组成的两级级联反相器构成；所述PWM电平转移电路602由NMOS管M6021、M6022和电阻R6021、R6022组成的两级级联反相器构成；
[0037] 所述H-桥70为四个开关管构成的H-桥型电路，由NMOS管M701～M704组成；所述H-桥70输出频率、占空比和幅度均可调的双极性脉冲。
[0038] 所述基准微电流源20与所述微处理器10和多档镜像微电流阱30连接。其中，电阻R201一端与电源VDD连接，其另一端与M201的漏极连接；M201的栅极与所述I/O口101的S8连接，其源极与M202的漏极、栅极以及M301～M304的栅极连接；M202的源极与接地；
[0039] 所述多档镜像微电流阱30与所述微处理器10、基准微电流源20、镜像微电流源40和多路多档镜像电流源50连接。其中，M301～M304的源极分别接地；M301～M304的源极依次分别与M305～M308的源极连接；M305～M308的栅极依次分别与所述I/O口101的S4～S7连接；M305～M308的漏极相互连接，并与M401的漏极和栅极以及M5011～M5014，M5021～M5024的栅极连接；
[0040] 所述镜像微电流源40与所述多档镜像微电流阱30和多档镜像电流源501、502连接。其中，M401的源极与电源VDD连接；
[0041] 所述多档镜像电流源501和502还与所述H-桥70连接，为其提供电流；其中，M5011～M5014，M5021～M5024的源极均与电源VDD连接；M5011～M5014M5021～M5024的漏极依次分别与M5015～M5018M5025～M5028的漏极连接；M5015～M5018和M5025～M5028的栅极依次分别与所述I/O口101的S0～S3连接；M5015～M5018的源极相互连接，并与H-桥70中M701的漏极连接；M5025～M5028的源极相互连接，并与H-桥70中M703的漏极连接；
[0042] 所述PWM电平转移电路601和602还与所述H-桥70连接；其中，M6011、M6012、M6021、M6022的源极与电源地连接；M6011的栅极与多路PWM口102的一路PWM信号(PWM00)连接；M6021的栅极与多路PWM口102的另一路PWM信号(PWM01)连接；M6011的漏极与M6012的栅极连接；R6011的一端与R6012的一端连接，其另一端与M6011的漏极相连；R6012的另一端与M6012的漏极相连；M6012的漏极与H-桥70中M701的栅极连接；所述PWM电平转移电路中个元件的连接方法与所述PWM电平转移电路601对应元件相同；
[0043] 所述H-桥70输出频率、占空比和幅度可调的双极性神经刺激脉冲(NS+，NS-)；其中M702、M704的源极接地；M702、M704的漏极分别与M701、M703的源极连接；M702、M704的栅极分别与M703、M701的栅极以及M6012、M6022的漏极连接。图3为图2中多路PWM口102产生的PWM信号(PWM00，PWM01)和H-桥70输出的神经刺激脉冲波形(NS+，NS+)图。
[0044] 本实施例基于CMOS工艺构造，具有体积小、刺激脉冲可调幅度范围大和辅助电路功耗低等特点。任何熟悉本领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的等效改变和变形，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
