Kompakt delta modulation modülleri, taşınabilir tıbbi cihazların geliştirilmesinde temel bir meydan okumadır. Bu modüller, düşük güç ve küçük ayak izi önceliklendirir, sürekli sağlık izleme için kritik olan ve kalp atışı, kan şekeri veya oksijen doğramı, bir uzay destekli paketin tasarımının doğru bir şekilde doğru bir şekilde genişletilebilirlik, piltrainal dönüşüm ve geleneksel klinik ayarların dışında teslim edilmesi ve servis kalitesi.
Delta Modulation
Delta modulation, diferansiyel pul-code modulation ailesinde belirli bir tekniktir.Her örnekte bir analog sinyalin mutlak boyutunu ölçmek yerine, bu bitimi entegre ederek orijinal sinyali yeniden yapılandırır.The key avantajı).Bu fark daha sonra tek bir miktar olarak temsil edilir: bir "1" sinyali arttı, bir "0" sinyali çok basit bir şekilde azaltıldı.
Tarihsel olarak, delta modulation askeri ve telekomünikasyon uygulamalarından geçti çünkü tıbbi cihazlara karşı sağlamlığı nedeniyle, birincil itirazı her mikroamptayı gerektiren bir başarı veya kısa sürede tespit edilen cihazlar için ideal olarak uygun bir şekilde uygun hale getirebilir.
Segma-delta modulation'dan ayırt etmek önemlidir, ilgili ama daha sofistike bir tekniktir. sigma-delta (ayrıca ⁇ ) modulation, ultra-düşük kuvvet ve çok-düşük-grup genişliği uygulamaları, 6 ila 12. daha yüksek çözünürlükte şekillendirir.
[[Dönetici:0)"The beauty of delta modulation is that it trades ⁇ levels for circuit simple.In the context of portatif tıbbi cihazlar, bu ticaret genellikle güç, boyut ve güvenilirlik en iyi dengesini sağlar. -ENFLT:1.Analog Cihazları Uygulama Not AN-308).
Portatif Tıbbi Cihazlar için Tasarım
Kurul Seviyeleri
Portre tıbbi cihazlar - bir giyilebilir bir kap bandı, en büyük kapsül veya sürekli glukoz izleme için bir yama - en az bileşen say ve yönetim alanı.Her ek milimetre karesi PCB emlak artışları maliyet ve mevcut alanı batarya veya dizi için azaltır. Kompakt bir delta modulation modülü mevcut bileşenleri en küçük paketlerde seçmek gerekir (örneğin, 0201 direnç, WLCSP ICs) ve pasif ağları ASIC veya modül paketine entegre etmek.
Güç Verimliliği birincil bir Sürücü olarak
Battery hayatı doğrudan hasta uyumluluk ve cihaz pazarlanabilirliğini etkiler. Bir delta modulation modülü, en az 10 μA'dan 10 μA'dan az miktarda 32 kbps'ye kadar tüketmek için tasarlanmıştır.Böylece düşük güç performansı elde etmek için mühendisler, ana işlemcinin %99 oranındaki en az şarj edilebilirliğini tercih etmelidirler ve kapanma veya görev yeterlilik modlarını uygulayın. Örneğin, bir hız yapımcısı algılaması, bir şarj cihazı, bu kadar düşük güç performansı yakalamayı kullanabilir, elektrogramları yakalamaya yardımcı olabilir.
Signal Fidelity ve Gürültü Yönetimi
Tıbbi sinyaller genellikle düşük amplitüd (örneğin, tipik bir ECG'nin 1 mV'nin zirvesi vardır) ve Hologram Hz güç hattı müdahalesi, hareket eserler ve termal gürültüyü artırın. delta modulation döngüsü, analog ön uçun dikkatli bir düzeni olmalı, bilgisayar destekli ses geçişi dahil olmak üzere, dijital geçiş gürültüsünden kaynaklanan mesafeyi azaltacaktır.
Diğer Sistem Blokları ile entegrasyon
Kompakt bir modül nadiren izolasyonda bulunur.The delta modulation çıktı genellikle dijital arayüzü entegre etmek için bir mikro kontrol cihazı veya DSP tarafından daha fazla filtreleme, sıkıştırma veya kablosuz iletim için işleme gerekir.Platent jitter özellikleri ile temiz bir 1-bit sinyalini oluşturmak için modülü tasarlayın. Bazı modern tasarımları delta modüllator, anti-alias filtre, ve bir seri arayüzü tek bir 2 mm × 2 mm paketine kadar açın.
Bir Kompakt Delta Modulation Modülünün Anahtarları
Bir delta modulation modülünün anatomisi dört bloka ayrılabilir: Komarator, bütünleştirici ve ölçüm mantığı. Her bir bileşen hedef özellikleriyle tanışmak için dikkatle seçilmiş ve boyutlandırılmış olmalıdır.
Karşılaştırmacı
Kompatörü, giriş sinyalinin yeniden inşa edilmiş geri bildirim sinyalinden daha yüksek veya daha düşük olup olmadığını tespit eder. Eleştirel parametreler, propagation gecikme, histeris ve giriş dengeleme gerilimi. tıbbi-grad modüller için, alt-milli volt dengeleme ile bir demiryolunun ortak olduğunu algılar. Low-power:0881[FLT 1: 1) STMikroelektronik veya yüksek çözünürlükte inşa eden bir karar ile en aza indirmek için.
Bütünleştirici
İntegratör dijital bit akışından analog sinyali yeniden yapılandırır. Genellikle bir geçiş cihazı veya basit bir RC bütünleyicisi olarak uygulanır. Kompaktlık için, düşük dielektrik absorpsiyonlu kapasitörler tercih edilir.Entegral hız oranı ve beklenen sinyal bant genişliğiyle birleştirilmelidir.
Sayısal Sayılar
Strictly, 1bit delta modüllator'da ölçümleyicisi, karmaşıklık ve güç eklemek için daha az yaygındır. Ancak, tasarımcılar çok yüksek çözünürlük veya uyarlayıcı delta modulation uygularken, özel bir ölçümleyici, bir miktardan daha fazla bir miktar örnekleme sağlar, çözünürlükte artış gösterir.For portatif cihazlar için, multi-bit ölçümler daha karmaşıktır.
Kontrol Mantıklı Denetim
Kontrol mantığı, zaman bölmesini yönetir, mikro kontrolde uygulanan özel bir ASIC veya özel bir devlet makinesi tercih edilir. Kontrol mantığı ayrıca küçük bir FPGA veya CPLD gibi) diğer verilerle doğru bir şekilde uyumludur.
Miniaturizasyon için Tasarım Stratejileri
Üretilebilir tıbbi cihazlar için boyut hedeflerini sık sık ayrık bileşen planlarından bir kalkış gerektirir. Aşağıdaki stratejiler yaygın olarak kullanılır.
Birden çok Fonksiyonlarla Bütünleşik Devreler
Silikon satıcıları şimdi oldukça entegre bir analog ön uçları (AFEs) üretiyor ve bu işlevleri içeren sekiz kanallı bir ADC'yi bir araya getiriyor, ancak daha basit bir delta modulation, ve birden fazlaxer.For example, theİLFLT:0ADS1298)[Döneticileri) ile yeniden tasarlanabilir.
Yüzey-Mount ve Chip-Scale Ambalaj
0201 dirençleri (0.6 mm × 0.3 mm) ve 0402 kapasiteliler IC için çipli paketler ile birlikte, büyük ölçüde ayak izi azaltır. Tüm pasif bileşenler, küçük bir değer (örneğin, 10 pF) entegre edilebilir; daha büyük zaman sabitleri için, bir dış X7R kapasiteli bir paket yeterlidir. Tüm pasif bileşenler, PCB'nin en aza indirmek için tek bir tarafa yerleştirilmelidir.
Optimized Devre Layout
Yüksek hızlı uçlar analog girişe geçebilmelerine neden olabilir. Bir zemin uçağı, analog bölümden altında kullanılmalıdır ve tümora yapılan geri bildirimler için önerilen bir güç kaynağı için uygun olarak sabitlenebilir.
Low-Power Bidele
Her mikroamp önemlidir. Kompatörler ve operasyonel yükselteçleri düşük quiescent akımları ile seçin ve 8, V veya 3.0 V'da çalışabilme yeteneği. Açık hava çıkışları için megaohm aralığındaki dirençleri kullanın. 1 μA quiescent'dan daha fazla çizen lineer gerilim düzenleyicilerinden kaçının; bunun yerine, geçiş düzenleyicileri kullanarak-fret-fret müdahalesini yenmek için modüle saatlerini kullanın.
Uygulama Örnekleri
Sürekli Glucose Monitor (CGM) Sensör Front-Bitiş
Diyabet yönetimi için sürekli bir glikoz monitörü 7-14 gün boyunca, bir başparatordan daha küçük ve minimum güç tüketmelidir. Elektrokimyasal sensör, 0.1 nA'nın 10 μA aralığında mevcut değildir, bu da bir transimpedans yükselticisi ile bir gerilime dönüştürülür.Bu gerilim o zaman sadece 5 μA'dan gelen bir kontrole uygun bir şekilde 16 mm'ye kadar bir mikropişmana ulaşır.
Bu tasarım, ticarete ilişkin gösteriyor: Bütünleme veya 5 pF MIM kapasitelior kullanıyor, komparator fabrikada 0,5 mV dengelemek zorunda ve kontrol mantığı MCU'nun zamanlayıcı periferinde uygulanıyor.
Future Trends and Innovations
Daha küçük, daha akıllı tıbbi cihazlar için talep, yeni sınırlara doğru delta modulation tasarımını zorluyor.
Mekanik Öğrenme ile Adaptif Delta Modulation with Machine Learning
Sinyalin eğimli istatistiklere sürekli olarak göz atarak, a Adaptif bir algoritma ana CPU'yu uyandırmadan adım boyutunu en üst düzeye çıkarabiliyor.Tümleşik ML hızlandırıcıları ultra güç mikro kontrolleri gibi algılamak için doğru bir algoritma.Ambiq Apollo4).
On-Chip Tam Tümleşik Delta Modulators
Lider yarı iletken şirketler analog cepheyi birleştiren ASIC'ler geliştiriyor, delta modulation döngü ve tek bir ölüde 1.5 mm WLCSP. Analog Cihazların talep ettiği gibi, oldukça entegre bir analog ön uç örneği, ancak, bir saf delta modülatöründe bir şekilde benzer entegrasyon bekliyoruz.
Enerjinin üretimi ve Zero-Power Sensing
Gelecekteki taşınabilir tıbbi cihazlar vücut ısısından enerji toplayabilir, hareket edebilir veya hatta glukoz yakıt hücreleri. Delta modulation'ın düşük gücü, bu tür sıfır güç sensörü düğümleri için doğal bir aday yapar. Araştırmacılar inurFLT:0)IMEC araştırma enstitüsü), 0,3 V tedarikinden çalışan bir deltator göstermiştir, küçük bir güneş hücresi veya termoelektrik jeneratörü için doğrudan bataryaya izin verir.
Daha iyileştirilmiş Gürültü Shaping için daha yüksek çözünürlük
İlk sipariş delta modulation, boş zaman ve eğim aşırılıktan muzdarip olsa da, ikinci ve üçüncü sıralı döngüler, yüksek hacimli gürültüyü dramatik bir şekilde azaltabilir.Bu tasarımlar daha karmaşıktır, ancak gelişmiş CMOS süreçleri kullanarak miniaturized edilebilir. 28 nm.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Mekanik tıbbi cihazlar için kompakt delta modülasyon modülleri tasarlayın, bir paradan daha küçük paketler dengelemek için gerekli olan modüller tasarlayın ve bu modülasyonların temel çalışmasını anlamak, bileşenleri dikkatle seçin ve modern miniaturizasyon teknikleri olarak, mühendisler paketler halinde sürekli sağlık izlemelerini sağlayan modüller oluşturabilirler, adaptif bir algoritmalar, entegre ASICs ve enerji-harvesting planlarının bu modüllerin performansını geliştirirken daha da küçültülecektir.
Daha fazla okuma için, [[Döneticileri:0)Texas Instruments application not on delta-sigma ADCs for medical enstrümanation) ve [[ENFLT:2)Maxim Entegre kılavuz düşük sensör tasarımına.