מבוא

טכנולוגיה בריאותית לובשת מתקדמת מפעולות נגדיות למוניטורים רפואיים קליניים שלוכדים קצב לב, ריצוף חמצן בדם, אלקטרוקרדיגרם (ECG) גלפורים, ואפילו רמות גלוקוז בזמן אמת.שוק המכשיר הרפואי בעל המשקפיים צפוי לעלות על 100 מיליארד דולר בתוך חמש השנים הקרובות, מונע על ידי ניטור מרחוק וטיפול מונע.

חיץ מ- PCB שואב כל כך מעט אנרגיה שהיא יכולה לפעול במשך חודשים על תא מטבע, תופסת רק כמה מ"מ רבועים כאשר הוא מוגדר, ודחה התערבות מחפצים בתנועה ו 50/60 הרץ ראשיים להחמיח את האתגר הזה, כי ללבוש לעתים קרובות מגבלות פוטנציאליות של מערכת ההפעלה, רכישה בו זמנית, בעוד שחזית אנלוגית שלמה חייבת להתאים לשכבת דיור חסומה של דרישות קבועות של מערכת ההפעלה, כולל עיצוב יחיד.

התפקיד של Buffer Amplifiers in Wearable Signal chains

מגבר חיץ, בדרך כלל מיושמת כעוקבת מתח של אחדות-גאין, מציעה תנופה קלט שיכולה לעלות על מאות מגה-אומס ופלט מתחת כמה הומים. ברגישות ביופוטנטית לבשה -ECG, עומס אלקטרונספילוגרפיה (EEG), אלקטרומוגרפיה (EMG) - גל או אלקטרודות יבשות נוכחיות מקור של 10 אותות ביופוטנציה למתח פתוח לאחר מכן, עם microvt חיתוך microvt, עם ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Photoplethysmography (PPG) חיישנים, אשר מודדים את נפח הדם באמצעות ספיגה קלה, גם להסתמך על buffers. a photodiode מייצרת זרם זעיר כי מגבר טרנססרנס מתמיר למתח.מתח זה חייב אז לנהוג נהג ADC או אנטי-aliasives-poremed photance מיידי , עם buouting בשלב זה, מאפשר phoreected אלקטרו-Freects-F.

מעבר לטרנספורמציה בלתי מאולתלתלתת, Buffers גם מבודדים את החיישן מרעש דיגיטלי במורד הזרם.כאשר ממוקמים קרוב לחיישן, הם ממזערים את אורך של עקבות מעצימות גבוהה אשר אוספים התערבות אלקטרומגנטית.מיקום זה הוא אבן הפינה של עיצוב אנלוגי בעל עוטה: חיישן מרוחק עם נקודת תצפית ארוכה ללא פגעה, אך חיץ בתוך כמה מ"מ של אלקטרודה למעשה הופך לדרגה נמוכה יותר של שימוש ב-DC.

פרדוקס עיצוב קריטי עבור מצעים רפואיים ניידים

תקציב אולטרה-לו קווירסנט הנוכחי והתקציב של כוח

(ב) צריכת חשמל (ב) למשולת כמה פעמים המשתמש חייב לטעון או להחליף את המכשיר. abuffer amplifier ציור 1 μA של זרם quiescent (IveFLT:0QuaFLT 1) מ 3 V Rail צורכת 3 μV-F מ-NUMT 1 LT-F {\displaystyle \ a 2 LT2} , לעומת 3 LT2 ליטרים (F)

אופטימיזציה כוחית משתרעת מעבר IFLT:0QFLT:1 buffer חייב גם לנהוג עומס קיבולי; עומס הרץ גבוה יותר הרץ עלייה דינמי מעצבs יכול להקטין את זה על ידי הוספת סדרה קטנה התנגדות על הפלט כדי לבודד את טווח ה-ADC של פחמן-and-and-או על ידי בחירת דגימות הרץ כדי להניע עומסים ללא הססנות, בנוסף ל-pApG חסר ערך (בדרך כלל) עם ממוצע של 10GB של 0.

אינטגרציה מינימלית ושילוב משותף

הנפח הפיזי הזמין עבור מגבר buffer על פס או טייפ החזה הוא מינוס.חבילות צ'יפ בקנה מידה (WCSP או DSBGA) עם טביעות רגל קטנות מ 1 מ"מ2 נפוצים, אבל הם דורשים עיצוב PCB זהיר עבור מוכר אמין. , יחיד phos ב SOT-23-5 או SC-70-5 חבילות איזון עם טיפול קלות כפול או מופחתת ספירה כאשר כמה ערוצים הם נדרשים, 000 אספקת שטח אחד, 1x ישירות ל-41.

שילוב מתקדם דוחף קדימה: כמה יצרנים משלבים מסנן נגד-aliasing, ונהג ADC בחבילה זעירה אחת.אפילו רכיבים פסיביים מתכווץ.A 1 μF אספקת עקף ב 0201 החבילה תופסת רק 0.6 × 0.3 מ"מ.Inducors ו-HDlytic capacitors יכול להימנע לחלוטין, כמו phos מודרניים עם יעילות לעתים קרובות רק עבור ריצוף יחיד של קרמיקה.

רעש ביצועים וזיהוי נאמנות

(הסימנים הביולוגיים המלוכלכים הם לעתים קרובות מתחת 1 mV באמפליט, יושב על חצי תא DC פוטנציאל של כמה מאות מילימטרים הרץ, ה-buffer חייב לתרום רעש רשלני כדי להימנע מסיכת האות.עבור ECG, רעש פינה מסך כולל נמוך יותר ב- 0.05-150 הרץ צריך להיות באופן אידיאלי מתחת ל 3 מיקרוVFLT0:PPFreaure דרישות נמוכות יותר (F)

מקור רעש נוסף מגיע מאספקת החשמל.Switching הרגולטורים בלבושות לייצר קרועה אדפט וגבוהה שיכולה בקלות להתחבר לחזית אנלוגית גבוהה. abuffer עם יחס אספקת חשמל מעולה (PSRR) בתדירות המעבר - באופן משמעותי מעל 80DB - קשורה עם מסנן פאסיבי או הרגולטור ליניארי נמוך, צמצם את הנוסחאות נוגדות את ה-PTS של ה-L.

Offset Voltage ו- Dynamic Range

מתח הקלט של buffer מוסיף באופן ישיר שגיאה ל biosignal. בעיצובים לבישים, מתחים מ-E-mp (בדרך כלל 0.1-5 mV) יכול להיות גדול יותר מהאות עצמו, במיוחד עבור ECG או EEG Zero-drift (עם זאת קיבולת גבוהה) phoscVset, אך ניתן לבצע CM-ACT גבוה יותר (ACMD) עם ממוצע של CM.

תאימות עם חיישנים ו- Digitizers

טווח הקלט המשותף של buffer חייב להתאים את המתח אלקטרודה עם נדנדה האות הרצוי ללא קידוד. Rail-to-rail קלט דגימת הם כמעט חובה עבור מערכות חד פעמיות יחיד שניתן ללבוש שבו 1.8 V או 3.3 V האספקה משותף.

יש לשקול גם את ההפצה הטבולית (ESD) הגנה גם: הקלט של ה-buffer מתחבר לאלקטרודות שעלולות לגעת בגוף האדם, אשר יכול לצבור מטען סטטי.על מבנים של Ip ESD עם 2 kV גוף אנושי הגנה מודל הגנה משותפת, אבל הוספת סדרה התנגדות (1–10 k ⁇ ) וטלוויזיות קטנות שקוותדות ליד הקישור קלט יכול עוד להקשות על העיצוב.

בחירת Components for Low-Power Buffer Amplifiers

Best-in-Class Operational Amplifiers

(הופנה מהדף TLV85-mp הימני הוא המקום שבו כוח, רעש וגודל המסחר-offs מתכנסים.ה-TLV8541 מטקסס מכשירים חד-פעמיים, למשל Hz 500 nA לערוץ, יש GBW של 8 kHz, ורעש קלט של 264 nV / ⁇ ב 100 הרץ-Acceptable עבור רבים של משקפי מרפא, CMG, חלופה שקטה היא בעלת ערך של AMP 2, אם כי הוא CMVF1 CMVF {\displaystyle CM2 CMV1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

כאשר השוואת מכשירים, לבחון את זרם ה-quiescent על פני טמפרטורה ו- Common-mode קלט טווח.חלק מהדגימות מציגות IFLT העולה:0QuaFLT:1 בטמפרטורות גבוהות, אשר יכול לכווץ את חיי הסוללה בתקני עור-עור שפועלים בסמוך ל- 35 מעלות צלזיוס, כמו כן לוודא כי ה-FLT יציב באיחוד ללא פיצוי חיצוני - נתונים באופן מפורש "לא אחיד" (Fedicial) דורש משוב נמוך מאוד, אם הוא עשוי להיות נמוך יותר, כולל CM2, כולל הדבקה).

אפשרויות לCommoning Component Choices

עבור הפיכה AC בערוצי ביופוטנטית, סדרה של קיבול קרמיקה של 0.1-1 μF עם COG /NP0 dielectric הוא אידיאלי בגלל דליפות נמוכה שלה ומינימום מתח coefficient רשת הטיה התנגדות אשר קובע את המתח חד-פעמי יכול להיות 2 10 M ⁇ התנגדות להרכיב מתח מחולק; אלה מתנגדים, מיושמת כמו 0402 או03-film דק, אשר תורם שטח אלקטרופולנס אחד נמוך יותר (R) עם Cip אחד בלבד נגד RDR = Cip = Cip אחד בלבד.

אינדוקטורים או ferrite beads על רכבת האספקה עשויים להיראות תיקון קל עבור רעש, אבל הם להגדיל את גובה ואת העלות. במקום, מפרט bead בקו הכוח, במיוחד נבחר עבור הניתוק שלה ב 100 MHz, ואחריו מיקרוסקופ קרמיקה, יכול לדכא רכיבי RF ללא עונש בולט.2 על ידי שימוש במגרעות מרובות שכבות קרמיקה (CC), עבור הטיה מגובה 1F5 עשוי לאבד את ה- XR5 גבוה יותר של XR.

אסטרטגיות חיסכון כוח מעבר לבחירה

משחק אופניים ומבצע Burst-Mode

מכשירים לבישים אינם צריכים לפקח באופן רציף; הם לעתים קרובות מדגם במרווחים מכל כמה דקות כדי פעם שנייה, על ידי הצבת מגבר חד פעמי למצב של סתום או עמידה בין מדידות, כוח ממוצע טיפות באופן דרמטי.הרבה דגימה בעוצמה נמוכה כל כך לקחת את הסיכות של מיקרו-מפוס אחד של מחזור זמן ארוך יותר מ-0QFLT:1 כדי sub-100A כאשר deactivated, 000 שניות, אז nbnbnbnbnbsp; הוא מקבל את כל מחזור אחד, 000 הנוכחי.

טפטים Scaling והתאמה

במערכות שבהן מתח סוללה משתנה (למשל, 3.0 V ליתיום מטבע תא יורד ל- 2.0 V בסוף החיים), buffer שנועד לפעול עד 1.8 V מבטיח ניצול מלא ללא ממיר לא יעיל.חלק עיצובים שניתן ללבוש אפילו כוח קצה אנלוגי של פלטה שטח בלתי מבוקר, למרות ש- הפחתה של ה-PSR, עדיין לא משתנה באופן קבוע, למרות ש-SPSRETFSUMS של ה-FSET, הוא רק אמצעי הפחתת דרישות זרם של ירידה של ירידה ב-S, אך לא קבוע, אך ורק לאחר מכן, אם כי הוא רק ירידה חלקית, אם כי הוא רק ירידה מסוימת של ירידה של ירידה של ירידה של ירידה חלקית, אם כי הוא רק ירידה של 50% מאפקטים של ירידה ב-S בטווח הארוך ביותר של ירידה ב-S בטווח הארוך ביותר של ירידה של ירידה של ירידה של ירידה של ירידה של ירידה ב-S בטווח של ירידה ב-S.

עיצוב תאימות אלקטרומגנטית ו- Noise Immunity

לבישים פועלים בסביבה רועשת חשמלית: טלפונים סלולריים, נתבי Wi-Fi, ואלקטרוניקה דיגיטלית בתוך המכשיר עצמו.ה-buffer חייב לעמוד בהתערבות.זה מתחיל עם הפריסה של PCB: לשמור על רמות קלט גבוהות מספק כמה שיותר קצר, מקיפים אותם עם עקבות שמירה המונעים את אותו פוטנציאל כמו קלט (מחזיק) או כדי לקרקע, ולסלול אותם על שכבת כריכים פנימית בין מטוסים יציבים, לבין תצורה זעירה, למעט צבעים זעירים שונים.

מסנן נמוך של PCB, כאמור, משמש חובה כפולה כמו מסנן נגד-aliasing ומדכא התערבות. עבור ECG, מסנן 3 kHz RC יכול להיות מספיק; עבור EMG, מסנן 10 kHz. כמה מעצבים להוסיף קו משותף של פיזור משותף על קווי הקלט כדי לספוג רעש RF שונים ללא השפעה על אות נמוך הרצוי, נוסיף משקל ועלויות פחות תצורה של הגוף יכול לפעמים להיות מפונקציה יעילה יותר.

שיקולים קדמוניים וגמישות

למרות ש-PCOT צורכת כוח מינימלי, חימום עצמי עדיין יכול להשפיע על DC מיקומטמים וסחף במעגלים מדויקים.ב-AFE רב-ערוצי AFE, החום המשולב ממספר דגי תצורה, ה- ADC, ורדיו Bluetooth יכול להעלות את הטמפרטורה הפנימית על ידי כמה מעלות צלזיוס שיפור של ניהול חומרים מ- Amp-D-Switch באופן קבוע, בדרך כלל מ- 1-10 מיקרוV/C, אשר יכול להציג את השגיאה על ידי פחות סטנדרטי (אופטי) באופן קבוע (מתאים) באופן קבוע יותר מ-אופטיים (מתאים) עם ממוצע ל-CDC-אופטיים (מתאים פחות גבוה יותר) אם כי הוא פחות גבוה יותר, אם כי הוא פחות גבוה יותר, אם כי הוא מ-אופטיים (מפוספסד) עבור מתח חום (מפוספס) עם ממוצע של פחות גבוה יותר) עם ממוצע של 0.

המונחים: Wearable PCB

מיקום PCB הוא קריטי בעיצובים לבישים שבו הנדל"ן הלוח מוגבל מאוד.התחל על ידי הצבת מגבר buffer כסגור ככל האפשר פיזית לאלקטרוד או חיישן פלט.זה מקטין את אורך של עקבות ריכוז גבוה כי הוא רגיש איסוף המטוס על גבי משטח זה (Font) לתוך משטח חד פעמית אופיינית, החיץ יכול לשבת בתוך 2 מ"מ של מגע אלקטרודה.

דוגמה מעשית: Photoplethysmography (PPG) Buffer

נחשב צג מבוסס יד על לב באמצעות LED ירוק ו photodiode. זרם photodiode מומר למתח על ידי מגבר טרנס-הרץ, ומייצר אות של כ 100 mV רכיבה על רקע V DC 1 אשר משתנה לאט עם אור מטבולי (ap) 1 חייב אז לנהוג 12-bit ADC עם mpling abt של 20 mc {\displaystyle 0=0=0) 0 {\displaystyle 0.

המעגל הוא פשוט: הפלט של מגבר ההנעה מתחבר ישירות לקלט הלא-מחדש של חצי מ- OPA2369, המוגדר כעוקב מתח.התפוקה עוברת לסדרת 1 k ⁇ התנגדות ו-100 nF capacitor דינמית לקרקע, ויצר מסנן נגד-1.6Hz הכולל של כוח ADC.

הסימון הפריסה PCB: עקבות קלט מן הפלט TIA הוא מודרך קו רחב 0.15 מ"מ, מוקף שפך קרקע.העין משוב אינה חלת ברווח האחדות, אבל הפלט לפילטר נשמר קצר.הציון הקרקע של ה- סמן מתחבר ישירות אל המטוס הקרקע דרך, צמצום אינדוקציה מדויקת.עם סידור זה, הפלט נמדד על אבטיפוס הראה ביצועים נקיים של גל עם פחות גבוה של נפח של קיבולת גבוהה.

בדיקות ואימות ב-Talesable Prototypes

לפני שילוב למוצר סופי, עיצוב החילוף חייב להיות מאומת עם חיישנים אמיתיים בתנאים המחקים את ללבוש בפועל. Sweat, תנועה, שינויים טמפרטורה לשנות את העיכוב אלקטרודה ו DC מסט.ג מבחן המדמיע עור עם מודל של עכבות אלקטרודה - באופן רטימי קבוע 50 k ⁇ התנגדות לטווח ארוך במקביל עם nF - עוזר לאפיין את ה- DC של bus מכווץ תגובה נמוכה.

בנוסף, חברת נדל"ן ממלאת תפקיד תומך: ביטול ה-ADC יכול להירגע הדרישה המדויקת של buffer, המאפשרת שימוש ב-ADC גבוה אך נמוך יותר כוח-הדגמה, אך ה-buffer עדיין לא חייב להציג עודף כי יש למקם את ה- ADC.Iterative co-design בין קבוצות חומרה וקושחה מוביל לאיזון האופטימלי.

כיוונים עתידיים: AFEs ו- Energy Harvesting

דחיפה ללא הרף כלפי מטה, יותר נוח ללבוש שילוב אנלוגי לגבהים חדשים.היום יחיד-צ'יפ אנלוגי מנטרק לפנים כגון מקס30001 או TI ADS1292 משלב נתיב רכישה ביו-יכול שלם, כולל EMI סינון, bufftures, ממריצים סוללות מסוג ALTOS, ו- ADC, הכל בחבילת רכישה 4× 4 מ"מ על ידי שילוב של תפקוד זה בתוך CMFlow-upt בטוח יותר, כמו גם אתגרים אחרים.

מסקנה

תכנון מגבר קומפקטי, נמוך כוח buffer עבור מכשירים רפואיים לביש דורש סינתזה של בחירת רכיב זהיר, אדריכלות חומרה כוח-אווירה, פריסת דיוק.הח, אם כי צנוע, הוא חיוני בשמירה על השלמות של ביו-שילוטים שבריריים מחיישנים ועד דיגיטציה, תוך הקרנה של פתרונות אנרגיה מתוחכמות, תוך כדי הדבקה של צינורות עוריים קטנים יותר, תוך כדי מחסנים של מחסנים-מחץ, יכול להימשך חודשים קצרים יותר מאשר דגנים.