כיצד ליישם ADcs ב- קומפקטית

מבוא: התפקיד הקריטי של ADCs ב- קומפקטית

שתלים רפואיים מודרניים - החל מ קוצרים ונוירויים ועד לפקחי גלוקוז ופרוזציות רטיניות - באופן טבעי על ממירים אנלוגיים-לדיגיטליים (ADCs) לתרגם אותות ביולוגיים לנתונים דיגיטליים לניתוח, בקרה סגורה-פרלופית, או טלמטיום אלחוטי, הביקוש לרזולוציה גבוהה של ADCs (בדרך כלל 16 סיביות ל -24 סיביות) מונע על ידי צורך בזיהוי טכנולוגיות אלקטרו-סגולות, כמו מגבלות טיפוליות גבוהות של ציוד חשמלי.

אתגרים מרכזיים ב Integrating High-Resolution ADCs

גודל קונסטרינטים ו- Semiconductor Trade-offs

מכשירים חד-משמעיים חייבים להיות קטנים מספיק כדי להיות פולשניים מינימליים, לעתים קרובות לתפוס כרכים של פחות מסנטימטר אחד. ADC ברזולוציה גבוהה דורש בדרך כלל מערך capacitor גדול, מדרגות התנגדות מדויקות, או שלבים מרובים של קוטרטור, כל אשר לצרוך שטח למות במהירות גבוהה. מתקדם CMOS תהליך nodes (למשל, 65m, nm), ânm) לעזור לוגיקה דיגיטלית, אבל אנלוגי לא כולל רזולוציה משולבת באופן מלא של תאים לא צריך להוסיף באופן מלא בין אם כי הוא קבוע, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, מעבדים מתקדמים, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, CMCupal CMOS תהליך מתקדם קומפקטי, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, קומפקטי, קומפקטי, מעבדים מתקדמים, כלומר, CMS, קומפקטי, כלומר, כלומר, מעבדים משולבים באופן קבוע, כלומר, לא צריך לעתים קרובות, קומפקטי, CMOS תהליך מתקדם CMOS מתקדם CMOS תהליך CMOS מתקדם CMOS, לא צריך לעתים קרובות, כלומר, כלומר, CMOS, כלומר, כלומר, קומפקטי, קומפקטי, רזולוציה משולבת, CMN.

הגבלת תקציב

המעטפה של כוח עבור מכשיר מושתל נמדדת בדרך כלל מיקרו-וואט לעשרות מ"ט, המסופק על ידי סוללה ראשונית (למשל, תא ליתיום-יודין עבור קוצני קצבים) או לקצור אנרגיה. High-resolution ADCs, במיוחד אלה המשתמשים ב-ADCsenseive appromation (SAR) או ארכיטקטורות sigma-deltas, יכולים לצייר עשרות עד מאות של microampss) כל אחד מהם דורש תוספת של נפח אנרגיה (pvp) או ® דורש תוספת של ® דורש ® (pvpive) או ® דורש ® דורש ® דורש ® דורש ® דורש ® דורש ® (pvplimates) או קיבולת גבוהה יותר מנקה (pvpvpvp) או קיבולת גבוהה יותר.

רעש והתערבות בסביבה הביולוגית

הגוף האנושי הוא סביבה עוין מבחינה חשמלית.שרירים לייצר רעש אלקטרומיגרפיים (EMG), הלב מייצר קומפלקסים QRS גדולים, ושדות אלקטרומגנטיים חיצוניים מ-Wi-Fi, MRI, או diathermy יכולים להתחבר למעגלי השתלה. High-resolution ADCs - במיוחד אלה המדגלים בטווח המיקרו-וולטים - רגישים מאוד להפרעות כאלה.

זמינות ביולוגית וגמישות ארוכת טווח

כל החומרים בקשר עם רקמות גוף חייבים להיות לאתואמים (למשל, טיטניום, סיליקון, פולימרים ברמה רפואית) עבור ADCs, התחזוקה הזו משפיעה על האריזה, שכבות מעבר, וחיבורים. החותמת ההרמטית - לעתים קרובות עם חבילות קרמיקה או מתכת - חפיכות קצבה קצבה טנסיבית ו inducance כי יכול להשחית אותות אנלוגיים נמוכים, וגרם, על פני מתח, או לחץ, עלולים מכני, או ירידה עצמית, או ירידה עצמית, או לחץ, עלולים, או ירידה מכנית, עלולים, או ירידה עצמית, או ירידה של לחץ, עלולים, או ירידה עצמית, עלולים, או ירידה של התקפית, או ממרחקים, עלולים, עלולים, או ממושכים, או ממרחק של התקפית, או ממרחק נמוך של התקפית, או ממרחק נמוך, או ממרחק, או ממושכים, עלולים, עלולים, עלולים, תוך כדי לחץ, או ממושכים, ירידה של התקפית, ירידה בלחץ, או ממושכים, עלולים, או ממושכים, תוך כדי לחץ, תוך כדי לחץ, או ממושכים, ירידה של שנים של התקפית, ירידה בלחץ, או ממושכים, או ממושכים

אסטרטגיות מפתח ליישום מוצלח

טכניקות מינימליות: מערכת-on-Chip ו- 3D אינטגרציה

אחת הדרכים היעילות ביותר לכווץ את טביעת הרגל ADC תוך שמירה על ההחלטה היא לשלב את הממיר ישירות על אותו מוות כמו שליטה דיגיטלית, זיכרון ו transceiver אלחוטי - גישה מערכת-on-chip (SoC) לדוגמה, תהליך 0.18 ⁇ m CMOS יכול ליישם 16 סיביות SAR ADC עם שטח של רק 0.05 מ"מ-FLT:02Falr להפחתה של אותות דיגיטליים מתחת ל- 50 אינץ '.

טכניקה מבטיחה נוספת היא השימוש של FLT:0 (שיתוף מטען SAR ADCsteauFLT:1), אשר מבטל את הצורך במגברים תפעוליים בעלי עוצמה גבוהה.אלה התנצלויות להשיג 10-12 ENOB עם כוח sub-1 ⁇ W, מה שהופך אותם אידיאליים עבור חיישנים נמוכים כמו צגים גלוקוז מתמשך.

כוח יעילות: מעבר ל-Data Sheet

יישום ADC כוח נמוך מעבר לבחירת חלק "כוח נמוך" דיהטיה דינאמית מתאמת את זרמי ההטיה של ADC בזמן אמת על בסיס אות - כאשר הקלט קטן, המשווה יכול לרוץ לאט יותר לצרוך פחות כוח. Power gating סוגר את ADC כולו בין דגימות, אשר יעיל יישומים עם מחזורים נמוכים (למשל, סגסוגת עצבית של 1Fer, כולל רזולוציה של 1FD) של כל תהליך אטמוספירה של 1 אטמוספירה של LT2, עם רזולוציה של 100 ספקטרום דיגיטלי.

(ה-Sigma-delta ADCs לעתים קרובות מועדות ליישומים ברזולוציה גבוהה ( ⁇ 16 ביטים) בשל יכולת עיצוב רעש הטבוע שלהם, אשר המסחר במהירות דגימה לרזולוציה.יחסי יתר של 64-256 מאפשרים מודולטור הזמנה ראשונה כדי להשיג 16 סיביות ENOB תוך צריכת רק כמה מיקרווואט.

אסטרטגיות ניכוי והגנתיות

כדי להשיג את ההחלטה הגבוהה האמיתית ב vivo, מעצבים חייבים להתמודד עם רעש ברמות מרובות:

• (FLT:0) הגנה פיזית: 1FLT: A מתכתי (למשל, טייטניום מקרה) פועל כמו כלוב פאראדיי, אבל זה גם מוסיף קיבולת רוח פרסיטית.שימוש בקרקע מפוצלת עם אזור אנלוגי ייעודי, מבודד על ידי שכבה דקה של בידוד, יכול להפחית את ההתערבות המשותפת.
• (FLT:0) אות מהותי: FLT:1 ; משיכת כל קלטות אנלוגיות כזוגות שונים (גם אם החיישן הוא חד-פעמי) מבטל רעש משותף.
• (FLT:0) סינון דיגיטלי שלילי: FLT:1; A נמוך כוח לוויה מעבד אותות דיגיטליים (DSP) יכול ליישם מסננים פחות מוצפנים או Kalman כדי להסיר חפצים תנועה ו 50 / 60- קיבולת נמוכה התערבות כוח ללא צורך חדר אנלוגי משמעותי.
• (FLT:0) איסוף והתאמה של דגימה כפולה: אנדרלינג: 1:1 טכניקות אלה משמשים בתוך המגבר הקדמי של ADC כדי לבטל 1 / F רעש וירידה, המאפשרת פתרון ברמה מיקרו-וולטר אפילו בנוכחות של סחף DC.

אדריכלות: התאמת ADC ליישומים

בחירת ארכיטקטורת ADC משפיעה מאוד על יכולת של השתל קומפקטי.השולחן מתחת לסכזמת להתנצלות:

Architecture	Resolution	Power (typical)	Best For
SAR	8–16 bits	1–100 µW	Medium‑speed, low‑power (e.g., ECG, EMG)
Sigma‑delta	16–24 bits	10–200 µW	Low‑frequency, high‑precision (e.g., glucose, temperature)
Pipelined	10–14 bits	5–50 mW	High‑speed (rarely used in implants)
Dual‑slope integrating	16–20 bits	1–50 µW	DC‑coupled, very low noise (e.g., chemical sensing)

(ב) תצפיות רבות - במיוחד הקלטה ביו-פוטנטית - תוכנית ההרחבה:0successive Approximation Register (SAR) ADCIRFLT:1 מציעה איזון מצוין.עיצובים אחרונים להשיג החלטה 16 סיביות ב 10-100 kS /s תוך פחות מ 50 מיקרו-וואט שלה עבור יישומים הדורשים פתרון גבוה (למשל, מדידת נוירוטרנסטרנס) עם רמות של LT-2K2K2K2K2KV, עם LT) רק עם LT2D.

דרישות עיצוב עבור High-Resolution ADCs in Implants

החלטה נגד שיעור ה-Sampling Rate: The Trade-off

החלטה עיצובית בסיסית היא המספר היעיל הנדרש של ביטים (ENOB) לעומת שיעור הדגימה. עבור הקלטה עצבית, פוטנציאל פעולה טיפוסי יש משך 1-ms, כך שיעור דגימה של 20 kS /s מספיק. A 16 סיביות SAR יכול בקלות להתמודד עם זה.עבור אלקטרוקרדיגרם (ECG) אותות רוחב פס, הוא רק כמה מאות הרץ, המאפשרת ירידה גבוהה יותר, כלומר, כלומר, כלומר, אם כי יש צורך ברזולוציה נמוכה יותר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, אם כי יש צורך גבוה יותר של פחות גבוה יותר, כלומר, כלומר, כלומר, אם כי יש צורך ברזולוציה של יותר של יותר של יותר של יותר של יותר של יותר של יותר של יותר של יותר של יותר של יותר של יותר של הסתברות גבוהה יותר של הסתברות אלקטרו-D (D) מאשר רזולוציה גבוהה יותר של הסתברות גבוהה יותר של הסתברות גבוהה יותר של הסתברות גבוהה יותר של הסתברות גבוהה יותר של הסתברות גבוהה יותר של הסתברות גבוהה יותר של הסתברות גבוהה יותר של הסתברות גבוהה יותר של הסתברות גבוהה יותר של הסתברות גבוהה יותר של הסתברות גבוהה יותר של הסתברות (D (D) מאשר הסתברות גבוהה יותר של הסתברות גבוהה יותר הסתברות גבוהה יותר הסתברות גבוהה יותר

קלבריות וטרימממונים

מכיוון שייצור השתל נמוך בהשוואה לאלקטרוניקה לצרכנים, ADC לא-לינאריות (INL, DNL) יכול להשתנות באופן משמעותי ממות למות.על----chip calibration - באמצעות ממיר דיגיטלי-to-analoger (DAC) כדי לזרז אלגוריתם או מחסנים לא מתאימים - יכול להביא את הביצועים של ADC בתוך הרבה מתקדם ADC כוללים דוגמה נוספת עבור מחסנים של 162.

קובצי Cookie ו-interconnect

החבילה עצמה משפיעה על ביצועי ADC.חבילה קרמיקה ללא עופרת מציעה חותם אמפטי טוב אבל יש לו קיבולי פרזיטי גבוה (>2 pF) על פי pins אנלוגיים, אשר יכול להאט את זמני היישבות. כדי למזער את זה, כמה שתלים לשים את ADC על "קו מיקרו-מודול" ייעודי עם חיבור שבב ישיר, מחלחלים ב-ADC כדי למנוע חיישנים נפרדים (F) עם חץ אחד מהם לחץ פיזי (מחץ) עם סיליקון) עם סיליקון (מחוספסדפסדפסד) עם סיליקון) עם סיליקון) עם סיליקון (F) עם סיליקון) עם סיליקון (מחץ יחיד) עם סיליקון) עם סיליקון) עם סיליקון) עם סיליקון) עם סיליקון (מחץ נמוך יותר מחץ נמוך יותר מחוספסדפסדפס) עם סיליקון) עם סיליקון) עם סיליקון) עם סיליקון (מחץ נמוך יותר מחץ נמוך יותר מחוספסדפסדפסדפסדפסדפסדפס) עם סיליקון) עם סיליקון) עם סיליקון) עם סיליקון) עם סיליקון) עם סיליקון) עם סיליקון (מחץ נמוך יותר

בדיקה ואימות

כל ADC חייב לעבור בדיקות מחמירות, כולל בדיקות חיים מואצות (למשל, 85 מעלות צלזיוס / 85% RH במשך 1000 שעות) ומחזורי טמפרטורה קיצוניים (-10 מעלות צלזיוס ל +60 ° C) יש למדוד את רצפת הרעש של ADC עם קלט קצר כדי לאשר לא התייחסות מעצבנית או רעש פופקורן חובה.

פרספקטיבה עתידית

מוצרי ננוטכנולוגיה ורומן

ננו-tube (CNT) ו transistors מבוסס גרפן מבטיחים כוח נמוך מאוד ו transconductance גבוהה, אשר יכול לאפשר ל- ADC תורמי לפעול ב-fmtojoule להמרות.בעוד שעדיין ניסיוני, CNT-based ADCs הראו פתרון 8 סיביות ב-10 GHz במחקר, אך עבור שתלים, היתרון יהיה ב- Sub-microוואט.

אנרגיה קצירת אנרגיה וכוח עצמי ADCs

שתלים עתידיים עשויים לא צריך סוללות בכלל.הנרטורים (באמצעות חום גוף) וקצירים אדזואלקטריים (באמצעות תנועה) יכולים לייצר מיקרו-וואט.חוקרים מפתחים את ה-FLT:0ultra-low-power ADCs שיכולים לפעול ישירות מאנרגיה מנרצת FLT:1, עם מתח נמוך כמו 0.4 V. אלה משתמשים באופן מלא או מגביל כדי להפיץ אותות באופן דרסטי, רק כדי לחסוך כוח.

השתלות ושאינן פתורות

אלקטרוניקה חולפת – שכפולים שמתמוססים בבטחה בגוף לאחר תקופה של שימוש – יוצרים דרישות חדשות עבור ADCs: הם חייבים להיות עשויים מחומרים ביו-תואמים (למשל, מנצחים מבוססי אבץ, ערוץ ננומברן סיליקון) הראו כי 10 סיביות SAR ADC על מתפתל משי שפועל במשך שבועות לפני רזולוציית רזולוציה בעוד הוא נמוך יותר מאשר קנה מידה פעיל זה 16 סיביות של מחקר פעיל.

מכונות אשר למדו: על עיבוד אותות חכמים של צ'יפ

(הזמינות של ליבות דיגיטליות בעלות כוח נמוך (למשל, ARM Cortex-M0, RISC-V) באותו ימות כמו ADC מאפשר מיצוי ודחיסה בזמן אמת, לדוגמה, עצבי יכול לנסח אותות גולמיים ב-16 ביטים, ולאחר מכן שיעור רשתות עצביות קטן מזהה אירועי התקף ורק משדר כמה על ידי מטה נתונים.

מסקנה

יישום של רזולוציה גבוהה ADCs בשתלים רפואיים קומפקטיים הוא אתגר רב-ממדי הדורש מומחיות בעיצוב אנלוגי, ייצור למחצה, אריזה לא עקבית וניהול כוח ברמה גבוהה של המערכת. על ידי בחירת האדריכלות המתאימה (SAR או sigma-delta), תוך שימוש בטכניקות miniaturization (SoC, 3D ערימהing), ושילוב מעגלים מתקדמים של רעש, מהנדסים יכולים להשיג 16 סיביות יותר כדי רזולוציה של אנרגיה גמישה, תוך כדי שיפור של אנרגיה, כמו גם רזולוציה גבוהה יותר.

(ב) [ה] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]], [ה]], [ה]], [ה]], [ה]]], [ה]], [ה], [ה], [ה], [ה]], [ה]], [ה]]] [ה'[ה']']']'[ה'[ה']']']'[ה']']'[ה'[ה']'[ה'[ה']'[ה'[ה'[ה'[ה']']']'[ה']']'[ה']']']']']']']'[ה'[ה'[ה']']']']']']']'[ה'[ה']']'[ה']'[ה']']']'[ה']']']'[ה'[ה']'[ה']'[ה'[ה']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה