[發(fā)明專利]高壓監(jiān)控逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201480001898.2
• 申請日: 2014-03-17
• 公開（公告）號: CN104769847B
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 愛德華·K·F·李
• 申請（專利權(quán)）人: 艾爾弗雷德·E·曼科學(xué)研究基金會
• 主分類號: H03M1/12
• 分類號: H03M1/12;A61N1/36;A61N1/372;H03M1/46
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司31100
• 代理人: 錢慰民

本申請要求于2013年3月15日提交的美國臨時申請No.61/788,926的權(quán)益。前述申請的主題據(jù)此全文以引用的方式并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

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，具體來說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)

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)組織以通過多個可選電極來刺激組織。對于許多應(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)電極并且仍維持對電極電壓的控制。

在許多應(yīng)用中，電極電壓的測量對于維持刺激器電路的運行完整性而言是必要的。例如在測量和確定組織阻抗和電極阻抗以及檢測涉及電極的短路或開路是否存在時，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的模擬信號數(shù)字化。然而，通常使用低壓晶體管來設(shè)計模數(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。

實現(xiàn)衰減的常用技術(shù)是使用電阻分壓器來將高電極電壓分壓成較低的電壓。然而，這個技術(shù)不適用于FES應(yīng)用，因為它會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。為緩解這些問題，可在刺激器與分壓器之間增設(shè)電壓緩沖器[參見Lee,E.，“High Voltage Tolerant Stimulation Monitoring Circuit in Conventional CMOS Process”，Proc.Of the IEEE 2009Int.Custom Integrated Circuits Conference(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年國際定制集成電路會議論文集(CICC)，第93-96頁，2009年9月)]。然而，由于對高壓軌至軌運算放大器(運放器)的需求，所以難以設(shè)計此類電壓緩沖器。

另一可能的技術(shù)是將兩個開關(guān)電容器(SC)用作兩個獨立的電阻器以形成分壓器。以此方式，便不會從刺激器中抽出直流電流。然而，開關(guān)的電荷注入和在兩個SC的連接節(jié)點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，將影響衰減器的實際衰減因數(shù)。因此，不是使用簡單的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Lee,E.,Dai,R.,Reeves,N.,and Yun,X.，“A 36V Biphasic Stimulator with Electrode Monitoring Circuit”，Proc.of the 2012IEEE Int.Symposium on Circuits and Systems,pp1087-1090,May2012(Lee,E.、Dai,R.、Reeves,N.和Yun,X.，“具有電極監(jiān)控電路的36V雙相刺激器”，2012年IEEE國際電路與系統(tǒng)研討會論文集，第1087-1090頁，2012年5月)]。SC放大器不僅用于驅(qū)動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，這個設(shè)計需要額外的電源來對SC放大器供電。

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)，因為它針對大多數(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。基于這種類型的ADC，可以將衰減功能組合到ADC中。可在原來的ADC架構(gòu)的輸入處以與SC陣列串聯(lián)的方式增設(shè)額外的開關(guān)電容器[Thomas Paul Kearney，“Programmable Input Range SAR ADC”(可編程輸入范圍SAR ADC)，美國專利No.6,731,232]。通過正確控制時鐘相位，可實現(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放大器來驅(qū)動ADC輸入。然而，由于開關(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)，以彌補上文所述的技術(shù)中所存在的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容