[发明专利]高压监控逐次逼近型模数转换器

说明书

本申请要求于2013年3月15日提交的美国临时申请No.61/788,926的权益。前述申请的主题据此全文以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及能够具有广泛用途的逐次逼近型模数转换器，具体来说涉及尤其在功能性电刺激(FES)应用中的高压刺激电极监控。

背景技术

通常在FES应用中，可编程电流发生器中生成的电流脉冲应用于神经组织以通过多个可选电极来刺激组织。对于许多应用而言，由于所需的电流脉冲振幅以及受刺激组织的阻抗和电极的阻抗，所以刺激器需要高恒流输出电压。恒流输出电压是指在电极处可提供的电压，该电压可用于迫使电流流经电极并且仍维持对电极电压的控制。

在许多应用中，电极电压的测量对于维持刺激器电路的运行完整性而言是必要的。例如在测量和确定组织阻抗和电极阻抗以及检测涉及电极的短路或开路是否存在时，应当需要此类样本。为适应生物医学设备中通常所用的数字处理电路，通常需要将一般由电极感测的模拟信号数字化。然而，通常使用低压晶体管来设计模数转换器(ADC)以使晶粒面积以及功率消耗最小化。因此，不能将高电极电压直接数字化。需要使电极电压衰减至ADC的输入电压范围。

实现衰减的常用技术是使用电阻分压器来将高电极电压分压成较低的电压。然而，这个技术不适用于FES应用，因为它会将电流从刺激器中抽出，并且因此影响刺激器的刺激脉冲振幅以及输出阻抗。为缓解这些问题，可在刺激器与分压器之间增设电压缓冲器[参见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.，“常规CMOS工艺中的耐高压刺激监控电路”，IEEE 2009年国际定制集成电路会议论文集(CICC)，第93-96页，2009年9月)]。然而，由于对高压轨至轨运算放大器(运放器)的需求，所以难以设计此类电压缓冲器。

另一可能的技术是将两个开关电容器(SC)用作两个独立的电阻器以形成分压器。以此方式，便不会从刺激器中抽出直流电流。然而，开关的电荷注入和在两个SC的连接节点处的非线性寄生电容将影响衰减增益的准确性以及分压器的线性。此外，ADC通常具有相当大的输入电容。在ADC输入连接至SC分压器时，将影响衰减器的实际衰减因数。因此，不是使用简单的SC分压器，而是通常使用电压增益等于所需衰减因数的SC放大器[参见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.，“具有电极监控电路的36V双相刺激器”，2012年IEEE国际电路与系统研讨会论文集，第1087-1090页，2012年5月)]。SC放大器不仅用于驱动ADC，而且还可用于消除寄生电容效应以及可能的电荷注入效应。然而，这个设计需要额外的电源来对SC放大器供电。

在不同的ADC架构中，使用SC阵列数模转换器的逐次逼近型ADC是生物医学应用的常用架构，因为它针对大多数生物医学设备中所需的采样速率需要低功率消耗。基于这种类型的ADC，可以将衰减功能组合到ADC中。可在原来的ADC架构的输入处以与SC阵列串联的方式增设额外的开关电容器[Thomas Paul Kearney，“Programmable Input Range SAR ADC”(可编程输入范围SAR ADC)，美国专利No.6,731,232]。通过正确控制时钟相位，可实现衰减。由于ADC的输入电容(SC阵列的电容)现在成为了衰减器的一部分，因此不需要缓冲器或SC放大器来驱动ADC输入。然而，由于开关的非线性寄生电容和电荷注入，所以衰减因数的准确性仍受到影响。因此，在一些情况下，所需要的可能是新型且新颖的逐次逼近型ADC架构，以弥补上文所述的技术中所存在的缺陷。

发明内容