ウェアラブルエレクトロニクスにおける小型化のためのドライブ

ウェアラブルテクノロジー市場は、フィットネスバンドやスマートウォッチから高度な医療パッチや拡張現実メガネに至るまで、デバイスで爆発的な成長を経験しました。これらのすべてのデバイスを横断する共通のスレッドは、より小型で軽量で、より快適なフォーム要因の無限の追求です。パフォーマンスを維持または改善する一方で、電子サブシステムがどのように設計されているかの根本的な見直しが必要です。最も重要なサブシステムの中には、物理的なセンサーデータを処理するためのデジタル情報に変換する信号チェーンがあります。ここでは、アナログコンバーター(DC-A-D)と同等に同行しています。

なぜ統合された ADC およびアンプ モジュールの無光沢

伝統的に、ADCs とアンプは、プリント回路基板(PCB)に別々に配置されたディスクリートコンポーネントでした。このアプローチは、重要なボードスペースを消費し、複雑性をルーティングし、長いインターコネクトから潜在的なノイズソースを導入します。両方の機能を単一のモジュールに統合することにより、設計者はより小さいフットプリントを達成し、より小さなパラシティックなキャパシタンスを削減し、より短い信号パスをより良いノイズの免疫に導きます。さらに、統合モジュールは、多くの場合、一般的な電力管理を共有し、より低い電力を削減し、より効率的な運転を可能にすることができます。

ウェアラブルデザインのための重要な利点

  • [ボードスペース節約:[]]]統合は、追加のセンサー、バッテリー容量、またはワイヤレス接続モジュールのための貴重な不動産を解放する、別のアンプとADCパッケージの必要性を排除します。
  • 単純ルーティング:] 単一モジュールは、信号劣化や電磁妨害(EMI)のリスクを下げるトレース接続の数を削減します。
  • []信号整合性:[]]を改良しました。アンプ出力とADC入力間の短い接続は、外部ノイズのピックアップを最小限に抑え、電気心電図(ECG)や光plethysmography(PPG)センサーなどの弱センサ信号の忠実度を節約します。
  • []信頼性の強化:[フェーアーはんだのジョイントと相互接続は、より堅牢なデバイスにつながる潜在的な故障ポイントを削減します。

コンパクト統合モジュールの創出における設計課題

利点は明らかですが、ウェアラブルのための統合されたACDおよびアンプモジュールを設計することは、いくつかの技術的なハードルを提示します。各課題は、モジュールが消費者および医療グレードのウェアラブルの厳格な要件を満たしていることを確認するために革新的なソリューションを要求します。

小規模での信号強度を維持

コンパクトなモジュールでは、アナログとデジタル回路は、近接的に共存しなければなりません。 ADCの制御ロジックまたはデータインターフェイスからのデジタル切り替えノイズは、測定を破損し、敏感なアンプ入力に結合することができます。 デザイナーは、この注意深いフロア計画を通して、別のアナログとデジタル地上平面を使用して、シリコンダイにガードリングと分離トレンチを採用しています。 さらに、異なる信号やシールドレイヤーなどの高度なレイアウト技術は、信号を維持するのに役立ちます。

電磁干渉(EMI)低減

ウェアラブルデバイスは、RFトランスミッタ(Bluetooth、Wi-Fi、セルラー)とその他の高周波回路によって囲まれています。 統合されたモジュール自体は、EMIを生成することもできます。 規制基準(FCCやCEなど)を満たし、他のデバイス機能との干渉を回避するには、エンジニアはEMIフィルタを採用し、コンデンサをデカップリングし、慎重にインピーダンスマッチングを行います。 一部のモジュールには、金属缶または導電エポキシコーティングを使用して内蔵電磁シールドが組み込まれています。

性能を犠牲にしないでパワー消費を最小限に抑える

バッテリー寿命はウェアラブルのための主要な販売ポイントです。 統合モジュールは、多くの場合、マイクロアンプレンジで、高分解能(例えば、16ビットまたは24ビット)と十分なサンプリング速度を配信している間、超低電力レベルで動作しなければなりません。 この取引オフは、高度なCMOSプロセス、サブスホルダー回路設計、およびデューティサイクリングやパワーゲートなどの動的電力管理技術の使用が必要です。 多くの近代的なADCsは、成功的な近似レジスタ(SAR)を採用し、速度と低速の能力、優れた能力、優れた解像度を提供します。

十分な利益と決断を達成する

ウェアラブルセンサーは、多くの場合、例えば、温度対比の摂氏度数のマイクロボルトだけを生成する、またはミリボルトレベルの心臓信号をピックアップする生体電位電極を生成します。 アンプは、重要なノイズを追加することなく、ACDの範囲にこれらの信号をもたらすために十分な利益を提供する必要があります。 統合モジュールには、プログラム可能なゲインアンプ(PGAs)が含まれており、異なるセンサータイプに適応することができ、高機能のデタ-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC-DC

テクノロジーとデザイン技術を融合

統合型ADCおよびアンプモジュールのイノベーションのペースは加速され、次世代のウェアラブルの要求によって駆動されます。 いくつかの重要な技術は、未来を形作ります。

超低電力SOCソリューション

システムオンチップ(SoC)は、ACDとアンプだけでなく、マイクロコントローラ、メモリ、およびワイヤレスインターフェイスがますますます共通化されるように統合するアプローチです。これらの非常に統合されたデバイスは、ウェアラブルセンサーノードのコンポーネントのカウントを劇的に減らします。例えば、[]]AnalogデバイスADA4692]シリーズは、超低電力でレール入力/出力を提供し、高インプラントのACDモデルとACDモデルの直接接続に適した、AGATシリーズは、ACDシリーズとAGAT-FATT-FATT-ACシリーズを内蔵しました。

高度の包装: 方法アウトのウエファー レベルおよび3D積み重ね

フットプリントをさらに最小限にするために、メーカーは高度なパッケージング方法を採用しています。 ファンアウトウエファーレベルパッケージ(FOWLP)は、外部ワイヤボンドなしで小型パッケージサイズを可能にし、寄生虫誘導を減らします。 シリコンダイスの3D積み重ねは、スルーシリコンビア(TSV)を使用して、アンプとADCの垂直統合を可能にし、PCBの全体的な領域を縮小します。 これらの技術は、厚さがエリアとして重要である次世代のウェアラブルにとって重要です。

デジタル口径測定および自己テスト

温度と老化の高精度を維持するために、統合モジュールは、オンチップのデジタル校正回路を組み込んでいます。 これらの回路は、スタートアップや定期的にオフセットを測定し、エラーを獲得し、デジタルで修正を適用します。 一部のモジュールには、内蔵のセルフテスト(BIST)機能があり、外部テスト機器なしで信号経路の完全性を検証し、故障がオプションではない医療ウェアラブルの信頼性を改善することができます。

マルチセンサー融合のためのMEMS統合

次のフロンティアは、同じ基質にMEMSセンサーを搭載するADCおよびアンプの統合です。例えば、加速器またはジャイロスコープは、専用の信号調節回路と共パッケージ化し、完全な慣性測定ユニット(IMU)を単一の小さなパッケージで作成できます。このアプローチは、ボードスペースを劇的に削減し、活動の追跡、ジェスチャー認識、および落下検出のための洗練されたセンサー融合アルゴリズムを有効にします。

ウェアラブルデバイスの適用例

フィットネストラッカーとスマートウォッチ

現代のフィットネストラッカーは、心拍数と血中酸素モニタリングのためにPPGセンサーに依存しています。フォトダイオード出力は、トランスピーダンスアンプをACDに追従させる小さな電流です。 光学フロントエンド用に特別に設計された統合モジュールは、]] Maxim MAX86141]のように、低ノイズアンプ、ACD、およびLEDドライバをコンパクトパッケージに組み合わせ、最小限のバッテリードレインで連続監視を可能にします。

医学パッチおよび連続的なグルコースのモニター

連続グルコースモニター(CGM)やECGパッチなどのウェアラブルな医療パッチは、非常に低騒音と高分解能を必要とし、強力な生物学的信号を検出します。 24ビットのデルタシグマADCとチョッパー安定アンプを備えた統合モジュールは、2x2 mmの小型パッケージで利用可能です。 これらのデバイスは、電極オフセットと運動アーティファクトをキャンセルするために、独自のアルゴリズムを使用して、臨床グレード診断用のクリアな信号を提供します。

聴覚とオーディオの拡張

真のワイヤレスイヤホンと補聴器は、内蔵のADCとアンプモジュールから恩恵を受け、マイクロホン信号を低歪みと最小限の電力で変換します。同じモジュールは、小さなスピーカーを駆動し、単一のチップで完全なオーディオパスを作成することもできます。高度なノイズキャンセリングシステムは、複数のマイクを使用して、相互チャネルの不一致を低減する統合ソリューションによって可能にしました。

未来の動向:エッジとエネルギーの収穫におけるAI

先に見て、エッジAIプロセッサを搭載した統合されたアナログフロントエンドのコンバージェンスは、ウェアラブルがクラウドに生データを送信することなくリアルタイム分析を実行することができます。これにより、帯域幅を減らし、電力を節約できます。例えば、統合モジュールは、必要なときにのみ、ECG信号から不整形を検出し、警告をトリガーできます。熱電発生や光電細胞などのエネルギー処理技術は、これらの超低電力モジュールに電力を供給することができ、潜在的な自己負担を抑える必要がありません。

コンテンツ

統合型ADCおよびアンプモジュールの開発は、ウェアラブルデバイスの次の波のための重要な有効化装置です。 機能性、保存スペース、電力削減を組み合わせることで、エンジニアは、エンジニアがより有効でより快適に製品を作成することを可能にします。 半導体プロセスとパッケージング技術が進化し続けるにつれて、私たちはさらにより高いレベルの統合を期待できます。これにより、日々の生活をシームレスに拡張する、比類のないウェアラブルのビジョンに近づけることができます。

エンジニアがウェアラブルな設計に着手し、大手メーカーから最新の統合モジュールを評価するのは、賢明な第一歩です。のようなリソース:電子設計のウェアラブル分析]と]MDPIセンサージャーナル]は、この高速移動分野に継続的な洞察を提供します。