[发明专利]具有快速开启时间的电流感测多输出电流刺激器

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.61/788,871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

本发明涉及电流镜电路，其能够在需要受控的电流递送以及找到功能性电刺激(FES)中的特定实用性的应用中广泛使用。

背景技术

通常在FES应用中，电流刺激器用于提供可编程电流脉冲，这些电流脉冲被导向穿过电极以刺激目标神经肌肉组织。通过电极传递的电流脉冲的振幅和持续时间一般通过数模转换器(DAC)被编程。DAC的电流输出通常在电流刺激器上被放大至所需的输出电流振幅。电流放大通常利用电流镜电路实现，尤其对于MOSFET器件而言，电流增益通过控制电流镜输入侧晶体管和输出侧晶体管的器件半导体管芯宽度(W)与长度(L)之比(W/L)实现。例如，在图1的现有技术电流镜电路中，输入侧晶体管M1和输出侧晶体管M2的W/L比率决定了总电流增益。

有关传递的电流的振幅的错误主要是由于刺激器的有限输出阻抗，以及输入侧晶体管M1和输出侧晶体管M2之间的任何失配错误所致。一种补偿刺激器的输出阻抗效应的技术是构造图1的电路，将晶体管MC1和MC2包括在共源共栅布置中，以增大刺激器的输出阻抗。通常，为了补偿输入侧晶体管和输出侧晶体管的失配，一般是增大晶体管的宽度和/或长度。然而，增大器件的W和L会带来负面影响，即刺激器从开启到关闭之间(反之亦然)的响应时间由于晶体管电容的增大而显著变慢。当刺激器电流被编程以实现低电流振幅时，这种变慢尤其易实现。

在高级应用中，设想刺激器输出电流被单独和独立地编程为通过多个电极，而不是通过仅单个电极。对于如图2A中所示的候选电路，设想共源共栅晶体管可以分成多个共源共栅晶体管，即晶体管MC(2)到MC(n)，它们提供输出电流至相应的“负载”，并且总输出电流等于输入DAC电流乘以电流增益K。输出OUT(2)至OUT(n)传递的输出电流数量是可控的，方法是开关各共源共栅晶体管至电压源VBP的栅极来开启特定晶体管和开关各共源共栅晶体管至VS的栅极来关闭特定晶体管。在这类情况下，各输出电流以及各输出电流之和可能会根据不同电极/组织阻抗以及每个输出处的电压而变化。

如图2B所示，一种减少这些变化的技术是利用差动放大器或运算放大器(op amp)来尝试调节刺激器的工作。在这种情况下，被指定为A的到运算放大器20的一个输入是共源共栅晶体管MC(2)到MC(n)的漏极的公共互连器，而被指定为B的到运算放大器20的另一个输入是预定的基准电压。在工作中，图2B的调节设计努力保持输入A处的电压等于输入B处的电压，使得恒定电流ID2流经晶体管M2，而无论开启或关闭的输出的数量。然而，当不同数量的电极被编程用于电流/刺激递送时，由于耦接到运算放大器20的不同负载电容和负载，这种方法可能效果不佳。另外，当相对小的电流被编程并且很大数量的电极被启动时，特别期望有长的开启时间和关闭时间。尤其在利用高电压晶体管来使共源共栅晶体管适应输出处的高电压时，这种情况会较为复杂。高电压晶体管通常具有高阈值电压，并且通常需要在晶体管开启之前有一段长时间来充电至阈值电压。在某些情况下，可能需要改善多电极应用的输出电流准确性而无需连续校准的电路设计，以及具有更少晶体管管芯面积的设计。在建立电流增益K的过程中，可能理想的是，至少在某些情况下避免对晶体管管芯大小的依赖来建立增益并且依赖于更可靠的参数诸如电阻器。

此外，在一些情况下，确保不同输出电流水平下的快速开启时间的设计可能会有帮助，这些不同输出电流水平包括小输出电流传递条件，尤其是使用能够输出大电流水平的多个可编程刺激电极。然而，在许多刺激器设计中，用于传递小输出电流水平的开启时间通常很长。这主要是由于：只有小电流可以流经晶体管，以实现小输出电流水平来对晶体管的寄生电容充电，尤其是栅极至源极电容。开启时间甚至更长，尤其是对于能够被编程为具有大电流输出的高电压刺激器。对于这些高电压刺激器，所需的大输出电流水平需要很大的高电压晶体管，因为这些晶体管的增益相对低。另外，由于与这些高电压晶体管相关联的阈值电压相对高，为了开启这些高电压晶体管，将会花费更长的时间来使小电流输出将栅极至源极电压充电至高于阈值电压。

发明内容