功率电感: c:由l/t 决定的系数(见表2-2)【说明】上式是用来计算多层线圈绕组、截面为圆形的空心线圈的功率电感计算公式。长冈系数k可查阅表2-1,系数c可查阅表2-2。当线圈内部有磁芯时,有磁芯线圈的电感
信号处理大大改善了耳蜗植入的性能。声音可以建立模型,使语音成为周期声源,而非语音则成为噪声源。声道的谐振特性可过滤声音的频率频谱。还有一个办法是,声源可以建模成为一个载波,而声道则作为一个调制器,表示出嘴或鼻的开闭。声源通常会快速变化,而滤波器的反应更慢得多(参考文献3)。
所有现代耳蜗植入体的内部单元都要通过一个经皮RF链接连到外部单元上,这是为用户的安全和方便性着想。RF链接采用了一对功率电感耦合线圈,不仅传输数据,同时传送电源。RF传送单元有一些挑战性工作,如高效地放大信号与功率,并保持对EMI的抵抗力。它的第二个功能是提供可靠的通信协议,包括一个信号调制模式、位编码、帧编码、同步,以及后台遥测的检测。
耳蜗植入体的RF设计可能有很多相互冲突的挑战,需要谨慎地权衡。例如,要延长电池寿命,功率发射器必须是大功率高效设计。于是,很多现代植入体都采用高效率的E类放大器。但E类放大器是非性线的,它们有波形失真,限制了数据发射速率。一体成型电感生产另外一个挑战是对高功率效率发射与接收线圈的要求。RF系统为了获得最大功率,要工作在其谐振频率上,或一个窄带宽上,但是RF系统在数据传输时却不能限制带宽。另外,虽然这些设备要求有高的发射频率,但这样就需要大的线圈。而在一个实际可用设计中,发射与接模压电感打样 收线圈的尺寸都必须小到从美容角度可接受的程度。
内部单元中的接收器与激励器是耳蜗植入体的引擎(图7)。ASIC(虚线中)完成关键的功能,确保安全而可靠的电激励。它有一个直通数据解码器的路径,能从RF信号中恢复数字信息,并通过对错误和安全性的检查,确保正确的解码。数据分配器通过转换多工器的开、关状态,将解码后的电激励参数送至可编程电流源。返贴片电感器打样回路径包括一个后台遥测电压采样器,用于读取某个时刻记录电极上的电压。然后,PGA(可编程增益放大器)放大电压,ADC将其转换到数字域,并保存在存储器中,再用后台遥测技术将其发送给外置单元。ASIC也有很多控制单元,如从时钟生成的RF信号,直到指令解码器。ASIC对某些功能的集成不太方便,如稳压器、发电器、线圈和RF调谐回路,以及后台遥测数据调制器等,但这些领域也正在不断发展中。
DAC和电流镜组成电流源,根据来自数据解码器的幅度信息,产生激励电流。这个电流源必须很精确,也充满着挑战。例如,由于工艺差异,MOSFET的源极与漏极关系不是恒定的,同时,栅极与源极之间的电压差控制着漏极的电流量。因此,电路需要一个调整网络,对基准电流作精细调节。新设计有多只DAC,以获得所需要的精确电流,因此无需使用电位器。理想的电流源有无限大的阻抗,因此很多设计者采用级联电流镜,付出的代价是降低了电压的裕度,增加了功耗。
这些权衡必须谨慎地考虑和实现。有些耳蜗植入产品有多个电流源,较老的装置需要一个开关网络,将一个电流源连接至多个电极。新设计则使用了多个顺序或同时的电流源。在这些设计中,P沟道和N沟道电流源都可生成激励的正、负相位。挑战是要匹配P沟道和N沟道电流源,确保正负电荷的平衡。自适应恒流电压可以减少功耗,保持高阻抗。
工程师们都更喜欢采用ASK(幅移键控)调制,而不是FSK(频移键控)调制,因为ASK有简单的实现方法,以及高频RF信号下的低功耗。多亏了各团队工程师、科学家、物理学家和企业家的不懈努力与合作,安全且费用合理的激励方法已恢复了全球超过12万人的听力。这些假体已成为指导其它神经假体开发的模型,可望提高几百万人的生活质量。