论文总字数：30559字

摘 要

随着应用于生物神经系统刺激芯片的不断发展与创新，现阶段已实现了包括瘫痪肢体感觉功能的重建、视网膜视觉功能重建、抑制癫痫等可观医疗功能，并引起广泛关注。神经刺激系统模型有三种典型的拓扑结构：地返回式结构、差分结构和H桥拓扑结构，不同结构各有利弊以应对不同的刺激芯片需求。动态电压源作为刺激芯片的核心模块，给芯片提供动态可变供电电压。本文的主要设计是基于交叉耦合型电荷泵的动态电压源（DVS），其单级模块结构上下互补对称，包括电平抬升电路、功能选择控制电路和电压移位电路三部分，可以实现电平抬升和电平下降两种不同工作模式，从而提供动态可变刺激电压。通过多级级联的方式可以进一步增加最大输出电压，但由于工艺受限其最大输出电压值不会超过14.3V。本论文还对单级DVS模块进行了模型分析，并从单级电路拓展到多级级联电路，进一步推导包括电荷泵级数、充电电容和电路功耗在内的电路设计参数计算公式。本次设计在Cadence中完成搭建电路与完成仿真，经测试单级电路可实现峰值工作效率为67.3%，空载下输出电压为3.26V，而对于5级级联电路，峰值工作效率为58.3%，空载下输出电压为14.1V。该方案实现的DVS作为刺激芯片的供电模块，具备良好的输出阻抗、输出电压范围以及工作效率。

关键词：刺激芯片；动态电压源；电荷泵；H桥；深阱工艺

Abstract

With the continuous development and innovation of stimulation chip applied in biological nervous system, considerable medical functions such as reconstruction of the limb sensory function, reconstruction of the retinal visual function and inhibition of epilepsy can be achieved and have already raised extensive attention. Common stimulation system model includes three typical topologies, such as ground-zero structure, differential structure and H-bridge topology. Due to their own advantages and disadvantages, different structures cater to different demands of stimulation chips. The Dynamic Voltage Source (DVS), which is one of the chip core modules, provides a dynamical variable supply voltage. This paper mainly focuses on a DVS module design based on cross-coupled charge pump. Its single-stage module structure is complementary and symmetrical, consisting of three parts including level rise circuit, function selection control circuit and voltage shift circuit. Two different operating modes, level-boost and level-drop, are implemented to meet the requirements. The maximum output voltage can be further increased by cascading, while that value of multi-stage circuits doesn’t exceed 14.3V due to the process limitation. This paper also analyzes the DVS module circuit model, from single-stage to multi-stage cascade circuits, we further derive the design parameter calculation formulas including stage number, charging capacitance and power consumption. The circuit is built to complete the simulation by utilizing Cadence. The results show that the single-stage circuit can achieve a peak operating efficiency about 67.3%, and the output voltage is about 3.26V when no-load. For a 5-stage cascade circuit, the peak operating efficiency is about 58.3% and the output voltage is about 14.1V without the load. The DVS implemented by this solution is used as a power supply module for the stimulus chip with good output impedance, output voltage range, and work efficiency.

KEY WORDS: Neural stimulator; DVS; Charge pump; H-bridge topology; Deep-well process

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1研究背景 1

1.2研究现状 1

1.3刺激系统拓扑结构 2

1.3.1 地返回式结构 2

1.3.2差分结构 3

1.3.3 H桥结构 3

1.4研究内容 5

第二章 动态电压电源模块 6

2.1引言 6

2.2刺激阻抗模型 6

2.3刺激电压电源的实现方案 7

2.3.1 电源直接供电 7

2.3.2 无源器件供电 7

2.3.3 电荷泵供电 7

2.4 DVS模块中晶体管端口连接方式 9

2.5电路结构 11

2.5.1 整体结构 11

2.5.2 电平抬升电路 12

2.5.3 两种工作模式 13

2.6 DVS电路模型 16

2.6.1 单级电荷泵模型介绍 16

2.6.2 多级电荷泵模型介绍 17

2.7 DVS电路模型分析 19

2.8本章小结 23

第三章 仿真结果与分析 24

3.1引言 24

3.2器件参数仿真 24

3.3单级性能测试 25

3.3.1最大输出电压 26

3.3.2输出阻抗 27

3.3.3工作效率 27

3.4多级级联性能测试 28

3.5 整体仿真结果 30

3.6 本章小结 31

第四章 总结与展望 32

4.1总结 32

4.2展望 32

参考文献 34

致 谢 36

第一章 绪 论

1.1研究背景

在生物神经刺激系统中，利用电刺激能够促进瘫痪肌肉的收缩，这一过程也被称为神经肌肉电刺激（Neuromuscular electrical stimulation, NEMS）或功能性电刺激（Functional electrical stimulation, FES）。FES也就是以精确控制的刺激顺序和幅度模仿中枢神经系统（Central Nervous System, CNS）传出信号，从而激活生物体内瘫痪的肌肉完成功能性任务的NEMS。其原理是通过人工编码的方式来产生一系列刺激脉冲刺激指定的肌肉或肌群，进而触发肌肉进行收缩以带动肢体做出动作，实现被刺激肌肉或肌群运动功能重建的目的^[1]。

电刺激可以被广泛应用于瘫痪肢体运功功能重建方面，这是一种通过工程学方法建立神经辅助通路，或从运动学方面提供外力辅助恢复患者瘫痪肢体运动功能的非生物学方法^[2]。在瘫痪病人的身上，使用FES方法的目的就是帮助他们恢复或增强肢体功能，从而进一步提高社会参与能力和生活质量。这一目标往往通过两种方式实现：第一，FES可以作为一种运动再学习的工具，促进瘫痪肢体额外的运动功能康复；第二，对于慢性期肢体功能康复空间有限的患者，FES可以作为半永久性运动神经假体（Neuroprosthesis）用于辅助功能性任务，增强瘫痪病人的日常生活独立性。其中神经假体是一系列可替代因损伤或疾病导致的运动、感觉或认知障碍的装置。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：30559字