Ontwerpen van een compacte, laag vermogen Bufferversterker voor draagbare gezondheidsapparaten

De vermogensoptimalisatie strekt zich uit voorbij I_Q. De buffer moet ook een capacitieve belasting aansturen; hogere belastingcapaciteit verhoogt dynamische stroom. Ontwerpers kunnen dit verzachten door een kleine weerstand van de serie aan de uitgang toe te voegen om het capacitieve ADC monster-en-greep te isoleren, of door op-amps te selecteren die ontworpen zijn om capacitieve belastingen zonder oscillatie te sturen. Bovendien is de signaalbandbreedte in wearables meestal laag: ECG-signalen over een lengte van 0,05 Hz tot 150 Hz, PPG slechts enkele tientallen hertz. Een op-amp met een gain-bandbreedte product (GBW) van 10 kHz of zelfs minder is vaak voldoende. Gebruik van een apparaat met een GBW ver buiten de vereiste afvalstroom; daarom, het kiezen van een op-amp waarvan de bandbreedte is afgestemd op de toepassing .

Miniaturisatie en integratie van componenten

Het fysieke volume dat beschikbaar is voor een bufferversterker op een polsband of borstlap is minuscule. Chip-schaal pakketten (WCSP of DSBGA) met voetafdrukken kleiner dan 1 mm2 zijn gebruikelijk, maar ze vereisen een zorgvuldige PCB-ontwerp voor betrouwbare soldeer. Enkele op-amps in SOT-23-5 of SC-70-5 pakketten balansgrootte met handling gemak. Dubbele of quad pakketten verminderen het aantal componenten wanneer meerdere kanalen nodig zijn, en ze delen een gemeenschappelijke levering ontkoppeling condensator, besparen board ruimte. Voor ultra-compacte ontwerpen, kan de TLV8541 in een 1 mm × 1 mm pakket direct naast de elektrode-interface geplaatst worden.

Geavanceerde integratie duwt verder: sommige fabrikanten combineren een buffer, anti-aliasing filter, en ADC-driver in een enkel klein pakket. Zelfs passieve componenten krimpen. Een 1 μF-stroom bypass condensator in 0201 pakket neemt slechts 0,6 × 0,3 mm. Inductoren en grotere elektrolytische condensatoren kunnen volledig worden vermeden, aangezien moderne op-amps met goede PSRR vaak slechts een kleine keramische condensator nodig hebben voor ontkoppeling. Wanneer een AC-gekoppelde signaalpad wordt gebruikt voor biopotentiaalmetingen, een enkele serie condensator en een biase weerstand netwerk vervangen bulk transformators. Compactheid komt ook voort uit het elimineren van off-chip weerstanden: een op-amp in eenheid-gain configuratie hoeft geen externe gain-set weerstanden, en als DC-compensatie verwijdering nodig is, kan het worden geïmplementeerd met een actieve integrator in een volgende fase in plaats van de buffer. Voor prototypes, met behulp van een paar grotere 0.013 passieven is aanvaardbaar, maar productieontwerpen moeten migreren naar pyrovation of .

Geluidsprestatie en signaaltrouw

Draagbare biosignalen zijn vaak minder dan 1 mV in amplitude, zittend op een halfcellig DC potentieel van enkele honderden millivolt. De buffer moet een verwaarloosbare ruis bijdragen om het signaal te vermijden. Voor ECG, totale ingangsvoorkeur lawaai in de band 0.05.0150 Hz moet idealiter onder 3 μV_PP. Dit vereist op-amps met lage 1/f (flikker) lawaai en vlakke breedband lawaai onder 100 nV/√Hz. Helaas, ultra-low-power op-amps de neiging om de lagere voedingsstroom voor hogere spanningsruis te verhandelen. Engineers balanceren dit door het beperken van bandbreedte met een output laag-doorlaatfilter; een eenvoudig RC netwerk met een hoekfrequentie net boven de signaalband vermindert hoge frequentie zonder dat er veel stroom wordt geruis wordt opgeofferd. Als de sensor zelf niet luid (bijv. droge elektroden), kan de geluidslaagdruk minder overheersen, maar voor een hoog-fideliteit EEG of ECG droge-onde systemen, een laag geluid is essentieel.

Een andere geluidsbron komt uit de voeding. Schakelregelaars in wearables produceren rimpels en hogefrequentieringen die gemakkelijk kunnen koppelen in een high-gain analoge front-end. Een buffer met een uitstekende voedingsafstoting verhouding (PSRR) bij de schakelfrequentie .ideaal boven 80 dB . In combinatie met een passieve RC-filter of een laag-dropout lineaire regulator, isoleert de gevoelige analoge rail van digitale hash. Zorgvuldige layout zorgt ervoor dat de grond terugkeert van de microcontroller en radio niet een pad delen met de buffer . grondreferentie, vermijden van gemeenschappelijke-impedantie koppeling. Voor meerlaagse PCB's, het uitschrijven van een aparte analoge grondvlak dat verbinding maakt met de belangrijkste grond op een enkel punt in de buurt van de batterij connector sterk vermindert geluidsinjectie.

Verschuiving van spanning en dynamisch bereik

De buffer . input offset spanning voegt direct fout toe aan de biosignaal. In draagbare ontwerpen, offset spanningen uit de op-amp (meestal 0.1 .0 .5 mV) kan groter zijn dan het signaal zelf, vooral voor ECG of EEG. Zero-drigt (chopper-stabilised) op-amps bieden sub-1 μV offset maar trekken hogere ruststroom (bijv., 200 μA). Voor veel toepassingen, een standaard CMOS op-amp met 1 .3 mV offset is aanvaardbaar omdat de volgende ADC fase digitale offset kalibratie kan uitvoeren. Echter, de offset moet klein genoeg zijn om verzadiging van de ADC . Een goede regel is om de totale DC offset (onde half-cell potential + op-amp offset) te garanderen.

Compatibiliteit met sensoren en Digitalizers

De buffer . input common-mode bereik moet de elektrode offset spanning en de gewenste signaal swing zonder knippen. Rail-to-rail ingang op-amps zijn bijna verplicht voor een enkele voeding draagbare systemen waar een 1,8 V of 3,3 V voeding wordt gedeeld. Evenzo moet de output zwaaien dicht bij de rails om volledig te exploiteren van de ADC . Veel precisie ADC's in wearables, zoals die van de ADS129x familie, hebben ingebouwde bufferde ingangen en programmeerbare gain versterkers, maar wanneer een externe buffer nodig is . Bijvoorbeeld , om extra kanalen . de buffer . output moet precies rijden de ADC-input zonder het invoeren van gain fout . Unity-gain precisie van 0,1% of beter is typisch voor moderne op-amps , maar testen met een doel ADC en onder temperatuur extremes is essentieel .

De bescherming tegen elektrostatische ontlading (ESD) moet ook in overweging worden genomen: de bufferinvoer verbindt zich met elektroden die het menselijk lichaam kunnen raken, wat statische lading kan ophopen. Op de chip ESD-structuren met bescherming van het menselijk lichaam van 2 kV zijn gebruikelijk, maar het toevoegen van een serieweerstand (1

Onderdelen selecteren voor versterkers met lage vermogensbuffer

Operationele versterkers van de beste klasse

Bij het vergelijken van apparaten, onderzoek de rustige stroom over temperatuur en de gemeenschappelijke modus ingang bereik. Sommige op-amps vertonen een stijgende I_Q bij hoge temperaturen, die de levensduur van de batterij kan krimpen in de huid-geworen apparaten die werken bij 35 °C. Ook controleren of de op-amp stabiel is bij eenheid winst zonder externe compensatie zal de datasheets expliciet staat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Passieve componentenkeuzes

Voor wisselstroomkoppeling in biopotentiële kanalen is een serie keramische condensator van 0.1

Inductoren of ferrietkralen op de toevoerrail lijken misschien een gemakkelijke oplossing voor lawaai, maar ze verhogen hoogte en kosten. In plaats daarvan, een ferriet kraal in de stroomlijn, specifiek gekozen voor de impedantie op 100 MHz, gevolgd door een keramische condensator, kan RF interferentie te onderdrukken zonder merkbare hoogte boete. Bij het gebruik van multi-layer keramische condensatoren (MLCCs), horloge voor DC bias derating: een 1 μF X5R condensator kan 50% van zijn capaciteit verliezen wanneer bevooroordeeld bij 3 V. Gebruik van hogere voltage-gewaardeerde onderdelen of het selecteren van X7R/C0G diëlektrische middelen vermindert dit probleem. Voor precisie toepassingen, vermijden Y5V diëlektric wordt aanbevolen als gevolg van de slechte temperatuurstabiliteit. In prototype stadia, met behulp van 0402-size componenten voor weerstanden en condensatoren maakt compacte lay-inable terwijl nog steeds met de hand-soldedeerbaar met een goede microscoop.

Strategieën voor stroomopslaan naast componentselectie

Operatie "Dutcy Cycling" en "Burst-Mode"

Draagbare apparaten hoeven niet voortdurend te monitoren; ze nemen vaak met tussenpozen van elke paar minuten tot eenmaal per seconde. Door de bufferversterker in een uitschakeling of stand-by toestand tussen metingen te zetten, daalt het gemiddelde vermogen dramatisch. Veel laagvermogens-op-amps omvatten een active pin die I[_Q[ naar sub-100 nA wanneer uitgeschakeld. De sensor, ADC, en buffer zijn synchroon wakker gemaakt, gegevens worden vastgelegd in een barstduurzame tientallen milliseconden, en dan de hele keten terugkeert naar slaap. De duty cyclus bepaalt gemiddelde stroom: als een buffertekening 10 μA werkt voor 20 ms per seconde, de gemiddelde stroom is 200 nA. Deze techniek verlengt de levensduur van de muntcellen tot jaren, waardoor wegwerp-plekken haalbaar zijn. Zorg ervoor dat de output van de buffers zich na het wakker worden kan vestigen; de typische insteltijd voor een nano-vermogen-op-amp is een paar microseconden per stap, dus een 10 ms actieve window is meer dan voldoende voor bio-only signalen die onablely over 1 m.

Spanningsschaling en adaptieve biase

In systemen waar een batterijspanning varieert (bijv. 3.0 V lithiummuntcel daalt tot 2.0 V aan het einde van de levensduur), een buffer ontworpen om te werken tot 1,8 V zorgt voor een volledig gebruik zonder een inefficiënte boost converter. Sommige draagbare ontwerpen zelfs stroom van de analoge front-end van een ongereguleerde batterij spanning, met behulp van de buffers uitstekende PSRR om levering rimpel af te wijzen. Adaptieve vooringenomenheid is een andere opkomende methode: de buffer . staartstroom past zich aan aan naar signaal amplitude, vermindering van stroom wanneer het signaal is klein en geluid eisen ontspannen. Hoewel nog niet mainstreaming in off-the-shelf op-amps, discrete implementaties of aangepaste ICs hebben aangetoond dat meer dan 50% vermogensreductie zonder verlies van prestaties. Bijvoorbeeld, een circuit dat de output verzweefsnelheid en vermindert stroom tijdens de quiescent intervallen kan worden gebouwd met een paar extra transistors, maar dit voegt board gebied. Voor de meeste productieontwerpen, eenvoudige duty fietsen en zorgvuldige deelselectie blijven de meest praktische benaderingen.

Ontwerpen voor elektromagnetische compatibiliteit en geluid immuniteit

Draagbare apparaten werken in elektrische omgevingen: mobiele telefoons, Wi-Fi-routers en digitale elektronica binnen het apparaat zelf. De buffer moet interferentie weerstaan. Dit begint met de PCB-layout: houd de ingangssporen met hoge impedantie zo kort mogelijk, omring ze met sporen van de beveiliging die naar hetzelfde potentieel als de ingang (bewaker) of grond worden gedreven, en breng ze op een binnenlaag tussen de grondlagen. Een vast grondvlak onder de op-amp vermindert parasitaire inductantie. Voor differentiële sensoren, lopen het differentiële paar symmetrisch en vermijden dat er breuken in het referentievlak onderdoorkomen. In enkelzijdige ontwerpen, waarbij een grondspoor naast het signaalspoor wordt geplaatst, creëert een microstripconfiguratie die impedantie en beschermt.

Een output low-pass filter, zoals vermeld, dient dubbel werk als anti-aliasing filter en een interferentieonderdrukker. Voor ECG, een 3 kHz RC filter kan voldoende zijn; voor EMG, een 10 kHz filter. Sommige ontwerpers voegen een gemeenschappelijke-mode ferriet stik op de invoerlijnen te absorberen differentiaal RF geluid zonder invloed op het laagfrequente gewenste signaal. Echter, wurgingen toevoegen gewicht en kosten; een klein pi-netwerk van condensatoren om te schild soms even effectief. Uiteindelijk, itereren van het ontwerp met een spectrum analyser in een realistische body-geworen configuratie onthult de echte immuniteit, omdat simulatie niet volledig kan vangen het lichaam rinkelen paden. Bovendien, met behulp van afgeschermde kabels tussen de elektrode en de buffer, hoewel omvangrijk, kan nodig zijn in prototypes voordat migreren naar een miniaturized print die de buffer direct plaatst op de elektrode site.

Thermische overwegingen en betrouwbaarheid

Hoewel buffers een minimale stroomverbruik hebben, kan zelfverhitting nog steeds de DC-offset en de drift in precisiecircuits beïnvloeden. In een multikanaal AFE kan de gecombineerde warmte van verschillende op-amps, de ADC en de Bluetooth-radio de interne temperatuur met meerdere graden verhogen. Een op-amp . input offset spanning drift meestal met 1

Indeling Beste praktijken voor draagbare PCB's

De plaatsing van componenten is cruciaal in draagbare ontwerpen waar boordvastgoed zeer beperkt is. Begin met het plaatsen van de bufferversterker zo dicht mogelijk bij de elektrode of sensoruitgang. Dit minimaliseert de lengte van de hoge impedantiespoor dat gevoelig is voor pick-up. In een typische borstpatch, de buffer kan zitten binnen 2 mm van de elektrode contact. Gebruik een grondbewaker ring rond de ingang pin op de PCB, gerouteerd op de bovenste laag en aangesloten op de op-amp amp amp amp amp amp amp amp , de buffer niet-inverterende ingang of op de grond (afhankelijk van het ontwerp) om shunt zwerflekken stromingen. Voor meerlaags boards, dediceer een binnenlaag als een solide analoge grondvlak; vermijd het splitsen van dit vlak onder de op-amp amp . Ontkoppeling condensatoren (0,1 μF en 0,01 μF) moeten worden geplaatst op dezelfde kant als de op-amp , zo dicht mogelijk bij de levering pinnen, met korte via de grondvlak. In flex PCB's onder de op de op de op-amp amp .

Praktische Design Voorbeeld: Een Fotoplethysmografie (PPG) Buffer

De fotodiodestroom wordt omgezet in een spanning door een transimpedantieversterker, die een signaal produceert van ongeveer 100 mV AC dat rijdt op een 1 V DC-achtergrond die langzaam verandert met omgevingslicht. Dit signaal moet dan een 12-bit SAR ADC met een ingangsbemonsteringscapaciteit van 20 pF aansturen. We hebben een buffer nodig die minder dan 0,1% winstfout toevoegt, een minimale stroom trekt en binnen een gebied van 3 × 3 mm past. De OPA2369 dual op-amp van TI (I_Q[] = 700 nA per kanaal, GBW = 12 kHz) is een geschikte keuze. De OPA2369 dual op-amp van TI (I _{is een dubbele op-rail ingang en uitgang die direct vanuit een 3 V-muntcel kan worden bediend.}

Het circuit is eenvoudig: de uitgang van de transimpedantieversterker verbindt direct met de niet-inverterende ingang van de helft van de OPA2369, geconfigureerd als een spanningsvolger. De uitgang gaat naar een serie 1 kΩ weerstand en een 100 nF condensator op de grond, die een ~1,6 kHz anti-alias filter vormt, dan naar de ADC ingang. De voeding pin van het op-amp wordt ontkoppeld met een 1 μF X7R condensator in sorbitol pakket geplaatst binnen 1 mm van de pin. De gehele buffer neemt ongeveer 2,5 mm × 2 mm op een tweelaags flex print. Simulatie van het circuit in SPICE toont een .3 dB bandbreedte van 1,5 kHz, ingangsvoorkeursgeluid in de PPG band (0.510 Hz) van 5 μV_PP[, en een totale stroomtrekking van 700 nA uit de 3 V rail, inclusief quiescent en dynamische stroom.

PCB-lay-out notities: de inputtrace van de TIA-uitgang wordt geleid als een 0,15 mm brede lijn, omgeven door een grondstroom. De feedbacktrace is niet van toepassing in eenheid winst, maar de output naar het filter wordt kort gehouden. De grondpin van de op-amp verbindt direct met het grondvlak door middel van een via, minimaliseert inductie. Met deze opstelling, de gemeten output op een prototype toonde een schone hartslag golfvorm met minder dan 2 mV hoogfrequente ruis, geschikt voor nauwkeurige piekdetectie. Voor een verbeterde geluidsprestatie, een 10 nF condensator kan direct worden geplaatst over de op-amp.s voeding spelden, zo dicht mogelijk, om hoogfrequente toevoerinjectie te verminderen.

Testen en valideren in draagbare Prototypes

Voordat het bufferontwerp in een eindproduct wordt geïntegreerd, moet het met echte sensoren worden gevalideerd onder omstandigheden die de werkelijke slijtage nabootsen. Zweet, beweging en temperatuurveranderingen veranderen de elektrode impedantie en DC offset. Een testjig die de huid simuleert met een model van elektrode impedantie . Meestal een 50 kΩ weerstand parallel met 47 nF .helpt kenmerken de buffer . DC offset drift en lagefrequentie respons. Het observeren van de uitgang met een oscilloscope verbonden via een hoge impedantie actieve sonde terwijl het onderwerp loopt of loopt onthult elke beweging-artifact gevoeligheid. Als de buffer is onderdeel van een differentiële ingangsketen, bevestig dat de gemeenschappelijke-mode afstoting overeenkomt overeenkomt met de datasheet. Lange termijn batterij levenslange testen onder periodieke bemonstering .