一、引言

用于神经工程研究的电刺激器传统上在输出驱动级使用线*模式晶体管。这会在这些晶体管上造成大量的功率损耗。功率损耗是不理想的，因为在许多实际情况中能量供应有限，特别是对于脑部、耳蜗、视网膜、脊髓和神经的植入式刺激。这限制了能够同时操作的并行通道的*大数量。

刺激器中的功率损耗取决于刺激幅度、持续时间、电极阻抗和直流电源电压。通过一个阻抗为1.1千欧的电极输*一个200微安的脉冲，在负载处会产生44微瓦的功耗，而在2.5伏电源下操作时，输出驱动级会产生456微瓦的功耗。

电刺激器中的功率损耗可以通过用开关网络替代线*模式驱动器来*小化。在已报道的文献中，一个电极通过一个多位置开关连接到一组预充电的电容器上。该开关在离散的时间间隔扫描所需的电压。电极两端的合成电压曲线代表了等效的恒流双相刺激。第二种方法使用基于直流-直流转换器的驱动器，并从电极电容中回收绝热的刺激后剩余能量。正向降压、反向升压和电流调节技术被应用于实现相对准确的双相刺激。第三种方法使用动态电源电压缩放，以在刺激周期内降低功率损耗。直流电源电压在四个离散的电平之间进行调整，这些电平略高于瞬时电极电压。这些方法以控制电路复杂*、多个时钟要求和增加的噪声为代价来降低功率。

在本文中，我们提出了一种基于开关电容的超低功耗电刺激器架构，其硬件复杂*和噪声降低。该刺激器采用自时钟策略，并从电极回收剩余电荷。与传统的恒流刺激器相比，它的功率损耗降低了近70%，与*先进的设计相比降低了两倍。

本文的组织结构如下。本节介绍了问题和工作范围，第二节描述了传统刺激器输出功率损耗的分析，第三节介绍了系统架构，第四和第五节展示了测量结果，第六节对本文进行了总结。

二、刺激器中的输出功率损耗

传统刺激器在输出驱动级使用直流电源和线*模式的晶体管，如图1所示。这些输出级的功耗计算如下，

图1. (a) 连接到等效电极模型的刺激器输出原理图；(b) 显示电压、电流和功率损耗的波形。

其中，VS 为直流电源电压，Velec(t) 为电极端子间的瞬时电压，IL 为刺激电流幅值。在刺激阶段，假设电极界面电容 (Cdl) 初始完全放电，且 IL 恒定，则电极电压表示为：

其中，Vsol为溶液电阻Rs两端的电压，Vdl(t)为Cdl两端的瞬时电压，t为瞬时时间。结合公式(1)和公式(2)，可得

式 (3) 中的功率损耗主要由电源电压和瞬时电极电压之间的差值决定。由于 VS 是固定值，而 |IL|.(Rs + tCdl) 随时间变化，因此在给定相位下，输出晶体管的功率损耗预计会随时间变化。

东莞市富临塑胶原料有限公司是 Microprobes 在中国的代理商，富临塑胶为中国客户提供金属微电极、多通道阵列、外周电极和技术协助。

三、系统架构

A. 工作原理

高效功率电刺激器架构基于开关模式电极驱动器硬件。它使用低频时钟生成校准的输出电压模式，以便迫使近似的双相恒流通过电极。在刺激阶段，开关电容电压跟随器通过电荷包的离散转移来驱动负载阻抗。此外，时钟生成通过内部反馈机制实现自动化。

B. 系统架构

低功耗刺激器架构包括可变电压参考发生器、作为电极驱动器的开关电容电压跟随器以及用于刺激定时控制的微控制器。图2(a)展示了刺激器系统的原理图。参考电压波形（Vref）由电阻电容（RC）网络和缓冲运算放大器（OA）生成。带有电容驱动器的开关电压跟随器由存储电容Cb、输出电容Co、比较器CMP以及模拟开关S1、S2和S3实现。

图2. (a) 低功耗刺激器原理图；(b) 时序图和相应的操作模式。

在正向刺激阶段，比较器的同相输入端通过开关S2和S3连接到Vref，反相输入端连接到Cb。负向阶段则要求同相输入端连接到Cb，反相输入端连接到Vref。S1由比较器的输出控制，该输出用于恰当地连接Cb，以便将电荷传输到负载电极以及从负载电极传输电荷。刺激阶段的极*和定时通过微控制器在端子T1和T2处的信号进行数字控制。S2和S3通过T1进行操作。开关的启动位置由T1处的控制信号逻辑以及电容C和Cb两端的初始电压决定。

图2(b)展示了用于生成具有可选相间延迟（IPD）的对称双相刺激脉冲的时序图。端子T1和T2处的逻辑电平决定了电流的极*和相间延迟。当定时信号的极*反转时，以类似的方式生成阴极优先脉冲。

C. 设计考量

低复杂度超低功耗刺激器的设计有以下重要考量。首先，刺激器使用开关电容驱动器作为输出。电源永远不会通过串联元件连接到负载，这避免了输出级的线*功率损耗。驱动电容以千赫兹频率工作，大幅降低了动态功率损耗。

其次，系统为开关电容操作生成自身的时钟信号，因此无需任何外部时钟源。开关S1的时钟脉冲通过局部反馈机制生成。它能够自动调整时钟参数，例如脉冲数量、脉冲宽度甚至占空比。时钟适应驱动电容、比较器的响应时间、所需的瞬时输出电压和负载阻抗。因此，每个周期都能以极低的功耗得到*佳利用。

第三，通过采用低静态电流器件实现静态功率*小化。通过选择低电压电源和低速组件来降低动态损耗。低频操作的微控制器、小增益带宽运算放大器和低功耗比较器消耗的功率很少。通过比较器的传播延迟设计了低于100千赫兹和自适应的开关频率。对于给定的瞬时电压和负载阻抗，选择高的Cb/(Cb + Co)比率会导致较少的开关事件。功率损耗使用表I中的公式进行估算。

表1. 功率损耗估算

第四，系统以双极模式运行，确保比直流电源幅值更高的峰峰值输出电压容限。电压容限表示为2(VS - Vdrop)。假设VS为1.5伏，Vdrop为0.2伏的压降，峰峰值负载电压容限约为2.6伏。

第五，输出电压和电流噪声由驱动电容的比率（Cb/(Cb + Co)）和S1的开关频率决定。该比率的较小值有助于降低峰峰值输出噪声，但会增加开关频率。在刺激阶段，开关S2和S3保持静态。设计中使用了低电荷注入开关（≤9皮库仑）。

第六，驱动器架构适合通过替代的Vref生成方案（例如指数型）采用任意刺激波形。这对于进一步降低功率损耗或使用相对较低的电荷注入阈值进行刺激可能是有效的。

*后，通过电极的对称充电和放电来实现近似的电荷平衡，同时使用同一组组件。在正向和负向阶段，开关事件和电压曲线是相同的。

四、电气测量

A. 效率

刺激器硬件在各种阻抗和驱动电容比率下运行时，展现出高达98%的准静态负载驱动效率，如图3(a)所示。在考虑平均输入和输出功率的情况下，动态效率（在刺激脉冲期间）高达60%，同时快速开关事件和电极上的电压上升处于活动状态。对正向和负向负载电流的效率都进行了测试，发现它们是相同的。

图3. (a) 能量效率，以及 (b) 作为负载电流、阻抗和驱动电容比率函数的峰峰值噪声。

B. 电流/功率需求

由于开关电容输出驱动级、自时钟策略、电极的缓慢充电以及简单架构的综合优势，功率损耗较低。比较器和缓冲运算放大器大约消耗600纳安和800纳安的静态电流，这对总静态损耗有显著影响。微控制器在1.5千赫兹下运行时额外消耗560纳安。开关中的动态损耗也对总功率损耗有贡献。在1.4伏的直流电源和20千赫兹的开关速度下，测量得到的刺激器静态功率需求为3.75微瓦。

C. 输出噪声

图3(b)展示了在各种负载电流、阻抗和驱动电容比率下，测量得到的输出电压纹波或噪声之间的关系。当负载电流（Io）较大时，相应的电压在给定的限制内接近直流电源电压。这会导致输出电容上的峰峰值开关电压降低，进而在大负载电流下表现出较低的噪声。实现了低至20毫伏（峰峰值）的输出噪声，这比其他已报道的低功耗刺激器的噪声更低。噪声取决于Cb、Co的值以及负载阻抗。

D. 模拟RC负载的刺激

使用RC类型的负载（Randell单元 [4]）来表征高效功率刺激器。将一个1.8千欧的电阻与一个10千欧和10纳法并联组合串联，用作模拟电极负载。在驱动系统硬件时，同时观察电源和负载电流。对有和没有相间延迟的双相刺激波形进行了观察。当Cb和Co分别为12纳法和200纳法时，在刺激脉冲期间平均功率效率高达80%。

E. 盐水环境中的刺激

将直径为400微米的铂铱电极浸入10倍磷酸盐缓冲盐溶液中，以展示刺激器的*能。图4展示了在这种设置下的电极电流和电压波形。箭头表示从所考虑的电极的界面电容中回收的电荷。这些电荷在第二次刺激阶段被回收，这从本质上节省了从电源汲取的一部分功率。与有相间延迟（IPD）的情况相比，没有相间延迟的刺激脉冲对于残余电荷的更好再利用是有利的，因为通过泄漏造成的电荷损失相对较低。

图4. 在磷酸盐缓冲盐溶液中使用铂铱微电极的刺激电压和电流曲线。箭头显示了从电极的电荷反向流动。

五、体内测量

在事先获得相关动物护理和使用委员会的批准下，对一只麻醉的大鼠进行了体内急*微刺激试验。图5展示了使用新型刺激器时的电极位置和从体感微刺激脉冲测量得到的信号。使用安装在立体定位框架上的显微操作器，将两个接触阻抗为100千欧的热锥形微电极（型号WE30030.1H；Microprobes）插入体感皮层（S1，IV/V层或800微米深度）。超低功耗刺激器连接到其中一个微电极，而第二个电极连接到标准数据采集装置（头级、前置放大器和基站），其增益设置为1000，带宽为400赫兹至7千赫兹，采样率为24.4千赫兹。电极之间保持大约1毫米的间距（图5(a)）。用于刺激和记录的参考不锈钢针电极放置在靠近颅骨的皮肤下，它们之间的距离大约为1厘米，以*小化电伪影耦合。

图5. (a) 大脑中电极位置的原理图；以及 (b) 在阴极优先刺激脉冲后从体感皮层记录的电诱发动作电位尖峰。

施加幅度为50 - 100微安、有或没有相间延迟、脉冲持续时间为100 - 200微秒的阳极优先和阴极优先双相电流脉冲，频率为1赫兹。测量诱发的多单元动作电位（图5(b)）。在刺激脉冲期间以及刺激脉冲后的几毫秒内，刺激伪影噪声是可见的。发现阴极优先刺激脉冲在较低电流下比阳极优先刺激脉冲更能诱发动作电位。

六、结论

本文展示了一种超低功耗电刺激器，它采用了新型的开关电容电极驱动器、自时钟发生器以及低速操作原理。该系统避免了驱动器的线*功率损耗，静态功率消耗为3.75微瓦。原始效率高达98%，动态效率高达60%。该架构的效率是当前*先进设计的两倍，并且与传统线*模式刺激器相比，功率损耗降低了70%。对该刺激器在RC阻抗、盐水中的铂微电极以及体内体感诱发电位记录方面进行了测试。与已报道的低功耗刺激器的比较见表2。