Miniaturization-moottori käytössä olevassa elektroniikkajärjestelmässä

Puettavan teknologian markkinoilla on ollut räjähdysherkkää kasvua, jossa laitteet vaihtelevat kuntokaistojen ja älykellojen, kehittyneiden lääketieteellisten laattojen ja lisätyn todellisuuden lasien välillä. Näiden laitteiden yhteinen lanka on pienten, kevyempien ja mukavampien muototekijöiden jatkuva tavoittelu. Tämän saavuttaminen samalla kun ylläpidetään tai parannetaan suorituskykyä edellyttää perusteellista uudelleenajattelua siitä, miten elektroniset osajärjestelmät on suunniteltu. Tärkeimpiä osajärjestelmiä ovat signaaliketjut, jotka muuntavat fyysisen anturidatan digitaaliseksi informaatioksi käsittelyä varten. Tässä Analogista digitaaliseen muunnin (ADC) ja sen mukana oleva vahvistin ovat keskeisessä asemassa.

Miksi integroidut ADC- ja vahvistinmoduulit ovat tärkeitä

Perinteisesti ADC-laitteet ja vahvistimet olivat erillisiä osia, jotka oli sijoitettu erikseen painetulle piirilevylle (PCB). Tämä lähestymistapa kuluttaa merkittävää levytilaa, lisää reitityksen monimutkaisuutta ja ottaa käyttöön mahdollisia melulähteitä pitkistä yhdysyhteyksistä. Yhdistämällä molemmat toiminnot yhteen moduuliin suunnittelijat voivat saavuttaa pienemmän jalanjäljen, pienentää loiskapasitanssia ja lyhyempiä signaalipolkuja, jotka johtavat parempaan melunsietoon. Lisäksi integroiduilla moduuleilla on usein yhteinen voimanhallintajärjestelmä, joka mahdollistaa tehokkaamman käytön ja pienemmän kokonaistehonoton.

Tärkeimmät edut puettavan suunnittelun

  • Board Space Säästöt:[ Integraatio poistaa tarpeen erilliset vahvistimet ja ADC-paketit, vapauttamalla arvokasta kiinteistöä lisäantureita, akkukapasiteettia tai langattomia yhteysmoduuleita varten.
  • Yksinkertaistettu toisto:[] Yksi moduuli vähentää jäljittimien määrää, mikä vähentää signaalin hajoamisen ja sähkömagneettisen häiriön (EMI) riskiä.
  • Parempi signaalin eheys:[] Lyhyemmät yhteydet vahvistimen ulostulon ja ADC-syötön välillä minimoivat ulkoisen melun piristyksen säilyttäen heikkojen anturisignaalien, kuten EKG-anturien tai fotopletymografia-anturien (PPG) signaalien, uskollisuuden.
  • Enhanced Reliability:[] Vähemmän juotinliitoksia ja yhteenliitäntöjä vähentää mahdollisia vikapisteitä, mikä johtaa vahvempiin laitteisiin.

Suunnitteluhaasteita Compact Integrated Modules -projektin luomisessa

Vaikka hyödyt ovat selkeät, integroitu ADC- ja vahvistinmoduuli puettavaksi on useita teknisiä esteitä. Jokainen haaste vaatii innovatiivisia ratkaisuja, jotta moduuli täyttää tiukat vaatimukset kuluttajien ja lääketieteellisen luokan puettavat.

Signaalin eheyden säilyttäminen pienessä mittakaavassa

Kompaktissa moduulissa analogiset ja digitaaliset piirit on oltava lähellä toisiaan. Digitaalinen kytkentämelu ADC:n ohjauslogiikasta tai dataliitäntä voi yhdistyä herkäen vahvistimen syötteeseen, korruptoi mittausta. Suunnittelijat käsittelevät tätä huolellisella lattiasuunnittelulla, käyttämällä erillisiä analogisia ja digitaalisia maa-alueita ja käyttämällä suojarenkaita ja eristämiskahvoja piikulla. Lisäksi kehittyneet asettelutekniikat, kuten erotussignaalien ja erityisten suojauskerrosten avulla voidaan ylläpitää signaalin puhtautta.

Sähkömagneettisten häiriöiden vähentäminen

Käytettävissä olevia laitteita ympäröi usein RF-lähettimet (sininen, langaton, solu) ja muut suurtaajuuspiirit. Integroitu moduuli itsessään voi myös tuottaa EMI. Täyttää sääntelystandardit (kuten FCC ja CE) ja välttää häiriöitä muiden laitteiden toimintoja, insinöörit käyttävät EMI-suodattimia, kytkennöistä ja huolellinen impedanssin yhteensovittaminen. Jotkut moduulit sisältävät sisäänrakennetun sähkömagneettisen suojan käyttäen metallitölkkejä tai johtava epoksi pinnoitteita.

Tehonkulutuksen minimointi ilman uhraamista

Akun käyttöikä on ensisijainen myyntipiste puettavalle. Integroitujen moduulien on toimittava ultra-alhaalla tehotasolla, usein mikroampereen alueella, samalla kun ne tuottavat edelleen korkeaa resoluutiota (esim. 16-bittinen tai 24-bittinen) ja riittävät näytteenottotaajuudet. Tämä vaihtokauppa edellyttää kehittyneiden CMOS-prosessien, alikynnyksen piirisuunnittelun ja dynaamisten voimanhallintatekniikoiden, kuten työvuorojen pyöräilyn ja tehonsiirtojen käyttöä. Monet nykyaikaiset ADC-arkkitehtuurit käyttävät peräkkäisiä likvidointirekisteriä (SAR) ja tarjoavat erinomaisen tasapainon nopeuden, resoluution ja alhaisen tehon.

Riittävän voiton ja ratkaisun saavuttaminen

Käytettävissä olevat anturit tuottavat usein hyvin pieniä jännitemuutoksia. Esimerkiksi termopari tuottaa vain muutaman mikrovoltin astetta kohti celsiusasteessa tai biopotentiaalinen elektrodi poimii millivolttisen tason sydänsignaaleja. Vahvistimen on tarjottava riittävästi hyötyä tuodakseen nämä signaalit ADC:n alueelle ilman merkittävää melua. Integroituihin moduuleihin kuuluvat nyt ohjelmoitavat voittovahvistimet (PGAs), jotka voivat mukautua eri sensorityyppeihin, ja suurimittaiset delta-sigma ADC:t, jotka toimivat nopeammin suuremman tehokkaan resoluution varmistamiseksi.

Kehittyvä teknologia ja suunnittelutekniikat

Integroitujen ADC- ja vahvistinmoduulien innovaatiovauhti kiihtyy seuraavan sukupolven pukutarvikkeiden kysynnän myötä.

Ultra-Low-Power SOC -ratkaisut

Järjestelmän päälle -siru (SOC) -lähestymistavat, jotka yhdistävät ADC:n ja vahvistimen lisäksi myös mikroohjaimen, muistin ja langattoman käyttöliittymän, yleistyvät. Nämä erittäin integroidut laitteet vähentävät merkittävästi kulutettavan anturin komponenttimäärää. Esimerkiksi [Analogiset laitteet ADA4692] -sarjassa on 12-bittinen ADC, joka on rakennettu sisäänrakennettu PGA ja jänniteviittaus pieneen pakettiin.

Advanced Packaging: Fan-Out Wafer-taso ja 3D pinoaminen

Jotta jalanjälkiä voitaisiin vähentää, valmistajat ottavat käyttöön kehittyneitä pakkausmenetelmiä. Fan-out-kiekkotason pakkaus (FOWLP) mahdollistaa pienemmän pakkauksen koon ilman ulkoisia lankasidoksia, mikä vähentää loisinduktanssia. 3D-pinnoitteen pinoaminen piitä käyttäen (TSV) mahdollistaa vahvistimen ja ADC:n vertikaalisen integroinnin, jolloin koko piirilevyn pinta-ala kutistuu. Nämä teknologiat ovat ratkaisevan tärkeitä seuraavan sukupolven kulutettavissa oleville tuotteille, joissa paksuus on yhtä tärkeää kuin alue.

Digitaalinen kalibrointi ja itsetestaus

Jotta lämpötila ja ikääntyminen pysyisivät korkeana, integroiduissa moduuleissa on yhä enemmän digitaalisia digikalibrointipiirejä. Nämä piirit mittaavat offset- ja voittovirheitä käynnistettäessä tai ajoittain, sitten ne tekevät korjauksia digitaalisesti. Jotkut moduulit sisältävät sisäänrakennetun itsetestauksen (BIST) ominaisuuksia, jotka voivat todentaa signaalin kulumisen eheyden ilman ulkoisia testilaitteita, parantaen luotettavuutta lääketieteellisissä kulumisissa, joissa vika ei ole vaihtoehto.

MeMS-integrointi monianturifuusioon

Seuraavana rajana on ADC:n ja vahvistimen integrointi samaan alustaan MEMS-antuureilla. Esimerkiksi kiihtyvyysmittari tai gyroskoopin voi pakata yhdessä sen spesifisen signaalinkäsittelypiirin kanssa, jolloin saadaan aikaan täydellinen inertiamittausyksikkö (IMU) yhteen pieneen pakettiin. Tämä lähestymistapa vähentää laudan tilaa dramaattisesti ja mahdollistaa hienostuneen anturifuusioalgoritmin toiminnan seurantaan, eleiden tunnistamiseen ja putoamisen havaitsemiseen.

Sovellus Esimerkkejä käytössä olevista laitteista

Fitness-seurantalaitteet ja älykellot

Modernit kuntomittarit luottavat PPG-antuureihin sydämen sykkeen ja veren hapenkäytön seuraamiseksi. Valodiodin ulostulo on pieni virta, joka vaatii transimpedanssivahvistinta ja ADC:tä. Integroidut moduulit, jotka on suunniteltu erityisesti optisiin etupäähän, kuten []Maxim MAX86141[], yhdistävät matalameluisen vahvistimen, ADC:n ja LED-ajurit kompaktiin pakettiin, jolloin jatkuva valvonta on mahdollista ja akun tyhjeneminen on vähäistä.

Lääkinnälliset paikat ja jatkuva glukoosi monitorit

Pukeutuvat lääkinnälliset laastarit, kuten jatkuvat glukoosimonitorit (CGM) tai EKG-laastarit, vaativat erittäin matalaa melua ja korkeaa resoluutiota heikkojen biologisten signaalien havaitsemiseksi. Integroidut moduulit, joissa on 24-bittinen delta-sigma ADC ja kopterin vakioidut vahvistimet, ovat nyt saatavilla pakkauksissa, jotka ovat niinkin pieniä kuin 2x2 mm. Nämä laitteet käyttävät omia algoritmeja elektrodien offset- ja liikeartefaktien kumoamiseen, mikä tarjoaa selkeitä signaaleja kliinisen diagnostiikan kannalta.

Kuulolaitteet ja äänen tallennus

Aidot langattomat kuulolaitteet ja kuulolaitteet hyötyvät integroiduista ADC- ja vahvistinmoduuleista, jotka muuntavat mikrofonisignaaleja, joilla on pieni vääristymä ja minimaalinen teho. Sama moduuli voi myös ajaa pientä kaiutinta, jolloin luodaan täydellinen äänitie yhteen siruun. Edistyneet melunvaimennusjärjestelmät käyttävät useita mikrofoneja, joissa on tarkasti sovitettu voitto- ja vaiheominaisuudet, jotka ovat mahdollisia integroiduilla ratkaisuilla, jotka vähentävät kanavien välistä eroa.

Tulevaisuuden trendit: tekoäly Edge- ja Energy Harvesting -tapahtumassa

Edessäpäin voidaan todeta, että integroitujen analogisten etupäät reuna-AI-prosessoreilla mahdollistavat pukeutumisables-analyysin reaaliaikaisesti lähettämättä raakadataa pilveen. Tämä vähentää kaistanleveyttä ja säästää tehoa. Esimerkiksi integroitu moduuli voisi havaita rytmihäiriöitä paikallisesti EKG-signaalista ja laukaista hälytyksen vain tarvittaessa. Energiantalteenottoteknologiat, kuten lämpösähkögeneraattorit tai aurinkosähkökennot, voivat tuottaa virtaa näitä ultra-low-tehoisia moduuleita, jotka voivat luoda itsesäätyvän kulutusablet, jotka eivät koskaan tarvitse latausta.

Päätelmät

Integroitujen ADC- ja vahvistinmoduulien kehittäminen on kriittinen mahdollistaja seuraavan aallon puettavalle laitteelle. Yhdistämällä toiminnallisuutta, säästämällä tilaa ja vähentämällä tehoa nämä moduulit mahdollistavat insinöörien luoda tuotteita, jotka ovat samanaikaisesti kyvykkäämpiä ja mukavampia. Kun puolijohdeprosessit ja pakkausteknologiat kehittyvät, voimme odottaa vieläkin korkeampia integrointitasoja, jotka tuovat meidät lähemmäksi näkyä huomaamattomista pukeutuvista aineista, jotka sauttomasti lisäävät päivittäistä elämäämme.

Insinöörien puettavan suunnittelun käynnistämisessä johtavien valmistajien uusimpien integroitujen moduulien arviointi on viisas ensimmäinen askel. Resurssit, kuten Electronic Designin puettava analyysi ja ]MDPI Sensorien aikakauslehti[, antavat jatkuvasti tietoa tästä nopeasti liikkuvasta kentästä.