Проектирование компактных высокопроизводительных модулей ADC для носимых и имплантируемых устройств

Введение: Критическая роль АЦП в носимых и имплантируемых устройствах

Носимые мониторы здоровья и имплантируемые медицинские системы быстро эволюционировали от простых счетчиков шагов до сложных платформ, которые непрерывно отслеживают физиологические сигналы, такие как электрокардиограммы (ЭКГ), электроэнцефалограммы (ЭЭГ), уровни глюкозы в крови и нейронную активность. В основе этих систем лежит аналого-цифровой преобразователь (ADC), который переводит крошечные, часто слабые биологические сигналы в цифровые данные, которые могут быть обработаны, сохранены или переданы. Проектирование таких модулей ADC для носимых и имплантируемых устройств представляет собой уникальный набор инженерных задач: они должны быть чрезвычайно компактными, чтобы соответствовать плотным форм-факторам, потреблять мизерную мощность для продления срока службы батареи или обеспечения сбора энергии и поддерживать высокую точность для захвата тонких изменений в организме. В этой статье рассматриваются ключевые соображения, стратегии проектирования и новые технологии, которые позволяют компактные, высокопроизводительные ADC для этих приложений, повышающих жизнь.

Фундаментальные проблемы в ADC-дизайне для биомедицинских устройств

Биологическая среда предъявляет жесткие требования к производительности АЦП, которые значительно отличаются от обычных промышленных или потребительских приложений. Три основные проблемы доминируют в компромиссах проектирования:

Решение этих проблем требует целостного подхода, который учитывает всю цепочку сигналов, от датчика до цифровой обработки, и использует последние достижения в области полупроводниковых технологий и проектирования схем.

Основные соображения дизайна

Оптимизация размера и форм-фактора

Минимизация физического следа модуля ADC заключается не только в уменьшении размеров транзисторов. Дизайнеры используют несколько методов для достижения уменьшения размера без ущерба для производительности. Интеграция системы на чипе (SoC) объединяет ADC, аналоговый интерфейс, цифровую обработку, а иногда даже беспроводные приемопередатчики на одном кристалле. Передовые технологии упаковки , такие как упаковка на уровне пластины в масштабе чипа (WLCSP) и трехмерная (3D) интеграция, множество стеков вертикально для экономии пространства на плате. Кроме того, варианты дизайна, которые уменьшают количество внешних пассивных компонентов (например, путем интеграции справочных буферов или разъединения на чипе), способствуют меньшему следу модуля.

Стратегии энергоэффективности

Потребление энергии, возможно, является наиболее важным ограничением для медицинских устройств с батарейным питанием. Современные АЦП для носимых устройств достигают эффективности мощности ниже 1 fJ на шаг преобразования. Ключевые методы включают:

  • Выбор архитектуры: Последовательное приближение регистра (SAR) ADC широко используется для их превосходной энергоэффективности при умеренном разрешении (10-12 бит). Для более высокого разрешения (16-20 бит) предпочтительны дельта-сигма преобразователи с избыточной выборкой, хотя они требуют большей мощности; тщательная конструкция модулятора и децимационного фильтра может оптимизировать этот компромисс.
  • Динамическое напряжение и частотное масштабирование (DVFS): ADC регулирует напряжение питания и тактовую частоту на основе мгновенной активности физиологического сигнала.В периоды низкой вариации сигнала ADC может входить в состояние меньшей мощности.
  • Обычный цикл и электропитание: Многие биомедицинские сигналы, такие как ЭКГ или ЭЭГ, имеют периоды покоя. ADC можно полностью выключить между интервалами отбора проб, экономя значительную энергию.
  • Интеграция сбора энергии: Некоторые конструкции включают пьезоэлектрические или термоэлектрические комбайны для дополнения батареи, уменьшая общую мощность, получаемую от основного источника энергии.

Требования к точности сигналов и их разрешению

Требуемое разрешение ADC в биомедицинской системе зависит от динамического диапазона целевого сигнала. Например, для ЭКГ-сигналов может потребоваться 12-16 бит для точного захвата Р-волн и комплексов QRS, в то время как нейронной записи для интерфейсов мозг-компьютер может потребоваться 14-18 бит из-за крошечной амплитуды нервных шипов. Эффективное количество битов (ENOB) является более значимой метрикой, чем номинальное разрешение, поскольку оно учитывает уровень шума и искажения. Дизайнеры также должны учитывать скорость выборки: большинство физиологических сигналов имеют низкую пропускную способность (DC до нескольких кГц), поэтому избыточная выборка может использоваться для улучшения эффективного разрешения посредством усреднения и фильтрации, часто реализуемой непосредственно в преобразователе дельта-сигма.

Шум и целостность сигнала

Биологические сигналы по своей сути шумные. Модуль ADC должен включать в себя несколько методов снижения шума. Усилители низкого шума (LNA) с программируемым усилением усиливают сигнал перед преобразованием, но они также вводят свой собственный тепловой и мерцающий шум. Дизайнеры используют стабилизацию с помощью переключателя или коррелированную двойную выборку для подавления низкочастотного шума. На цифровой стороне фильтры децимации в ADC дельта-сигмы ослабляют внеполосный шум. Физическая компоновка одинаково важна: тщательная маршрутизация аналоговых и цифровых блоков, защитные кольца и дифференциальная сигнализация помогают предотвратить шумовое соединение от переключения цифровых схем.

Передовые стратегии и методы проектирования

Выбор архитектуры ADC: SAR против Delta-Sigma против трубопровода

Выбор архитектуры ADC имеет решающее значение для удовлетворения требований к мощности, скорости и разрешению носимых и имплантируемых устройств.

  • SAR ADCs: Идеально подходит для умеренного разрешения (до 12-14 бит) со скоростью отбора проб до нескольких мегасхем в секунду. Их шкалы энергопотребления почти линейно со скоростью отбора проб, что делает их чрезвычайно эффективными для прерывистых измерений. Современные SAR ADC используют перераспределение заряда (емкостный DAC) и асинхронное наведение часов для дальнейшего снижения мощности.
  • Delta-Sigma ADC: Предлагают очень высокое разрешение (16-24 бит) за счет переборки и формирования шума. Они хорошо подходят для сигналов с низкой пропускной способностью (DC до нескольких кГц), обычно встречающихся в биомедицинских приложениях. Компромиссом является более высокое энергопотребление из-за высокого коэффициента перебора, но продвинутые конструкции с использованием модуляторов непрерывного времени могут достигать уровней мощности субмилливатта.
  • Пипелиновые АЦП: Обеспечивает высокую скорость и разрешение (10-14 бит при десятках МС/с), но, как правило, слишком энергоемки для большинства имплантируемых устройств. Иногда они используются в носимых системах, которые требуют высокоскоростного преобразования данных, таких как пластыри для ультразвуковой визуализации.
  • Интеграция ADC (двойной слоп): Чрезвычайно высокое разрешение и шумоотклонение, но медленная скорость преобразования. Используется в высокоточных измерительных устройствах, таких как цифровая термометрия, но реже встречается в носимых устройствах.

Для большинства носимых и имплантируемых приложений SAR ADC доминируют в пространстве с низким разрешением, в то время как преобразователи дельта-сигма предпочтительны, когда важен высокий динамический диапазон. Некоторые гибридные архитектуры, такие как модуляторы дельта-сигма с поддержкой SAR, стремятся объединить преимущества обоих.

Аналоговая оптимизация Front-End

На производительность модуля ADC сильно влияет фронтальная схема, которая обуславливает необработанный сигнал датчика. Усилители инструментов с высоким коэффициентом отторжения в общем режиме (CMRR) отклоняют помехи от линий электропередач и других источников в общем режиме. Программируемые усилители усиления (PGA) настраивают диапазон в соответствии с полномасштабным входом ADC, максимизируя динамический диапазон. Фильтры с антисглаживающим экраном на кристалле (обычно пассивный RC или активный коммутируемый конденсатор) предотвращают сворачивание высокочастотного шума в интересующую полосу. Интеграция фронтального интерфейса на том же кристалле, что и ADC, снижает паразитную емкость и улучшает производительность шума, что имеет решающее значение для сигналов низкого уровня.

Миниатюризация компонентов с помощью расширенного производства

Передовые CMOS-процессы с размерами функций 28 нм или меньше позволяют ADC-модули с чрезвычайно высокой плотностью и низкой мощностью. Однако аналоговые схемы не масштабируются, а также цифровые схемы; поэтому дизайнеры часто используют аналоговые методы с цифровыми помощниками, такие как калибровка фона и цифровая коррекция, чтобы ослабить требования к точности аналогов. Для ультраминиатюрных устройств гетерогенная интеграция объединяет чипы из разных технологических процессов (например, RF CMOS, аналоговые и MEMS-датчики) в единый пакет, уменьшая общие размеры. Гибкая гибридная электроника (FHE) является новым подходом, который встраивает тонкие кремниевые IC на гибкие подложки, позволяя модулю ADC соответствовать изогнутым поверхностям тела.

Управление энергией и энергетическая автономия

Помимо блоков схем с низким энергопотреблением, общая архитектура управления мощностью определяет практичность носимого или имплантируемого устройства. Динамическое масштабирование мощности позволяет ADC работать в разных режимах: высокоскоростной режим с высоким разрешением для активного мониторинга и режим сна с ультранизким энергопотреблением с периодическими пробуждениями. Регуляторы напряжения на чипе (LDO или конвертеры с коммутируемым конденсатором) подают чистые, стабильные напряжения в аналоговую схему при максимизации эффективности. В имплантируемых устройствах беспроводная передача мощности (индуктивная или ультразвуковая) может устранить необходимость в первичной батарее, уменьшая размер и избегая операции замены. Конструкция ADC должна затем учитывать прерывистую доступность мощности и включать быстрые схемы запуска.

Передовые технологии снижения шума

Для достижения высокого динамического диапазона, необходимого для биомедицинских сигналов, дизайнеры используют сложные методы снижения шума. Переход модулирует сигнал на более высокую частоту, чтобы отделить его от мерцающего шума усилителей, затем демодулирует его обратно, оставляя шум на внеполосных частотах, где его можно фильтровать. Коррелированный двойной отбор проб (CDS) эффективен в подавлении смещения и низкочастотного шума, особенно в коммутируемых конденсаторных схемах. Методы выкладки , такие как глубокая изоляция N-колонки, экранирование подложки и сопоставленные конденсаторы помогают минимизировать паразитный шум и несоответствие. Некоторые конструкции включают Цифровые калибровочные петли , которые непрерывно корректируют смещение компаратора или несоответств

Новые технологии и инновации

Нейроморфные АЦП для сверхнизкой мощности обработки

Вдохновленные работой биологических нейронов, нейроморфные ADC обрабатывают сигналы в событийном режиме, а не непрерывной выборкой. Эти преобразователи генерируют цифровые коды только тогда, когда входной сигнал изменяется на значительное количество, резко снижая энергопотребление для редких сигналов, таких как нервные шипы. Прототипы исследований продемонстрировали уровни мощности, такие как несколько нановатт (]Nature Scientific Reports on neuromorphic ADC. Интеграция с нейроморфными процессорами позволяет на чипе обрабатывать биосигналы, уменьшая потребность в беспроводной передаче данных, которая часто является самой энергоемкой операцией в носимом устройстве.

Гибкая и растяжимая электроника

Традиционные жесткие кремниевые ИС дополняются гибкими печатными схемами, которые могут изгибаться, скручиваться и соответствовать человеческому телу. Гибкие АЦП, построенные на тонкопленочных транзисторах (ТФТ) с использованием органических или аморфных оксидных полупроводников, все еще находятся в ранней стадии разработки, но обещают более низкую стоимость и бесшовную интеграцию в носимые пластыри и интеллектуальный текстиль. В то время как их производительность (скорость, разрешение) в настоящее время отстает от объемных КМОП, они предлагают уникальные преимущества для крупнотоннажных сенсорных и одноразовых медицинских устройств. Гибридные подходы, которые прикрепляют крошечные кремниевые чипы АЦП на гибкие подложки, предлагают практический компромисс.

AI-Enhanced Signal Processing на грани

Интеграция искусственного интеллекта (ИИ) непосредственно в модуль ADC или соседнее цифровое ядро позволяет классифицировать сигналы в реальном времени и обнаруживать аномалии. Например, ускоритель ИИ может анализировать данные ЭКГ от ADC для обнаружения аритмий и запуска предупреждений без отправки необработанных данных на облачный сервер. Это снижает энергопотребление для связи и улучшает конфиденциальность пользователей. Достижения в аппаратном обеспечении машинного обучения с низким энергопотреблением, таких как бинарные нейронные сети и аналоговые вычисления в памяти, позволяют этим функциям ИИ работать в рамках ограниченных бюджетов мощности носимых устройств.

Беспроводная электроэнергия и телеметрия данных

Будущие имплантируемые устройства, вероятно, полностью устранят батареи, полагаясь на беспроводную передачу энергии от внешнего передатчика. Модуль ADC должен быть спроектирован для работы при переменных уровнях мощности и включать в себя схемы питания на сбросе и энергетические буферы (небольшие конденсаторы или тонкопленочные батареи). Одновременно та же беспроводная связь может передавать данные, но высокое энергопотребление телеметрии остается проблемой. Обмен данными с обратной связью и пульсации сверхширокополосной (UWB) (] изучаются для снижения стоимости энергии передачи данных от имплантированного устройства.

Тестирование и проверка модулей ADC для медицинских устройств

Медицинские приложения требуют тщательного тестирования для обеспечения безопасности и надежности. Модули ADC для имплантируемых устройств должны соответствовать стандартам, таким как ISO 13485 (управление качеством) и IEC 60601 (безопасность и основные характеристики). Протоколы тестирования включают в себя метрику, такую как SNR, полное гармоническое искажение (THD), негармоничный динамический диапазон (SFDR) и ENOB в предполагаемом диапазоне частот ввода. Измерения шума с короткими входами идентифицируют внутренний шумовой пол. Отклонение мощности (PSRR) и Отношение отказов в режиме общего доступа (CMRR) имеют решающее значение для устройств, которые разделяют мощность с другой электроникой. тестирование надежности при ускоренных условиях температуры и влажности гарантирует, что ADC будет выполнять в спецификациях в течение многих лет работы в организме. Особенности ADC для тестирования (DfT

Будущее и выводы

Непрерывная миниатюризация полупроводниковой технологии в сочетании с инновациями в архитектуре схем и управлении питанием раздвигает границы того, что возможно для модулей ADC в носимых и имплантируемых устройствах. По мере увеличения разрешений при снижении энергопотребления появляются новые приложения: системы доставки лекарств с замкнутым контуром, нейронные интерфейсы высокой плотности для протезного управления и непрерывные мультимодальные мониторы здоровья, которые могут предсказать медицинские события до их появления. Сотрудничество между проектировщиками схем, биомедицинскими инженерами и учеными-материалистами будет иметь важное значение для вывода этих устройств на рынок. Конечной целью остается разработка компактных высокопроизводительных модулей ADC, которые работают надежно с минимальной энергией, что позволяет новому поколению медицинских устройств, которые улучшают результаты лечения пациентов и качество жизни.