Low-noise için en iyi uygulamalar ADC Tıbbi Cihazlarda Ön Bitişler

Tıbbi elektronikte, analog- sayısal dönüştürücü (ADC) ön uç, elde edilen sinyalin bütünlüğü doğrudan doğruyu ve hasta güvenliğini etkiler. elektrokardiogram (ECG) dalgaformları izlemek, elektroenseptik (EEG) kalıpları yakalamak veya düşük tansiyon transdüserleri ölçmek, bu nedenle alınan sinyalin bütünlüğü doğrudan doğrulayıcı doğruluk ve hasta güvenliği etkiler. Gürültü, eğer titiz bir şekilde yönetilemezse, bu zayıf fizyolojik sinyalleri izlemek, yanlış alarmlar yollayabilir, eksik olaylar, hatta yanlış bir tedavi teslimat yapmak.

Bu makale onlarca yıllık pratik deneyimi ve araştırmayı, ultra-düşük-noise ADC cephesinin tıbbi cihazlarda sona erebileceği kapsamlı bir metodolojiye ulaşmak için harekete geçeceğiz. Gürültü kaynağı tanımlama, bileşen seçimi, PCB düzeni stratejileri, zeminleme ve kalkan teknikleri, güç yönetimi ve her iki analog ve dijital filtreleme yaklaşımları ile ilgili her bölüm, farklı tıbbi uygulamalara adapte edilebilir monitörlerden yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte teşhis araçlarına kadar inşa edilebilir bir metodolojiye kadar inşa edeceğiz.

Tıbbi ADC Front Ends'te Gürültü Kaynağını Anlamak

Herhangi bir tasarım tedavisi önermesi önermeden önce, tıbbi ADC sistemlerinin rahatsız ettiği gürültüyü kategorize etmek önemlidir. Bu gürültü kaynakları dört kategoriye geniş ölçüde bölünmüş olabilir:

• [FONT:0] ⁇ gürültü (Johnson-Nyquist gürültü): [Dönetici: 1)) Objektif elementlerin rastgele hareketlerinin ve yarı iletken eklemlerin hareketine göre, 4kTR'nin yoğunluğuyla beyazdır, çünkü DDDDDDDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNCÜDÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNEŞÜNEŞÜNEŞÜNEŞÜNEŞÜN, sadece 1 kULLAH'nin sabit sıcaklığında, sadece on iki tane mikro sinyale karşılık gelir.
• [FONT:0]Electromanyetik müdahale (EMI):), yakındaki güç hatlarından çiftleştirilmiş olan (50 / 60 Hz harmonik), güç malzemeleri, kablosuz vericiler ve dijital otobüsler, Body-worn elektrotlar antenler olarak hareket eder, çeşitli büyüklükteki diferansiyel sinyalleri aşabilir.
• [FONT=0)Power tedarik gürültü: [Dönetici: [Dönder: ] Ripple ve gerilim düzenleyicilerinden gelen artışlar, DC-DC dönüştürücüler tarafından üretilen geniş bant gürültüsü. Bu gürültü çiftleri güç tedarik oranı (PSR) ve ADCs, sinyal yolunu da yükselt.
• [FONT=0)Quantization gürültü:[Dönetici:0) ADC'nin sonlu kararının doğal bir şekilde işlenmesi. Teorik olarak girişle ilgili olmayan, pratikte sinyal-noise oranını (SNR) aşırılık ve dithering bunu hafifletebilir.

Gerçek dünya sistemleri de flicker (1/[Dönt:0)f) aktif bileşenlerdeki gürültüyü, yarı iletkenlerde vuran gürültüyü ve elektrot-skin imkansız varyasyonları. Kapsamlı bir gürültü bütçesi her kaynağı karakterize etmek ve genel sistem SNR hedefiyle karşılaştırıldığında kabul edilebilir katkıları gerektirir - 60 dB veya yüksek sadakatli tıbbi kayıtları için daha fazla.

Low-Noise Performansı için Not Selection

Doğrulandırıcı Ampiifier

Kombinasyon ilk aktif aşamadır ve genellikle ön uçlu gürültü figürünü baskındır. tıbbi uygulamalar için, enstrümantasyon yükselteçleri (INAs) yüksek ortak mod ret oranı (CMRR) ve doğal olarak hasta ve çevreden ortak-mode müdahalesini reddederek tercih edilir.

• [FONT=0)Input gerilim gürültü yoğunluğu (nV/POSHz): [D=V/POSHz altında 10 nV/POSHz değerlerin 1 kHz. Çok düşük gürültü tasarımları için, Analog cihazlar AD8429 veya Texas Instruments INA188 gibi cihazlar seçin, hem de gürültü kesiciler yaklaşık 1 nV/ (28)Hz.
• [FONT:0) Mevcut gürültü (pA/√Hz): [Döntgenlikler yüksek olduğunda önemli (örneğin, ECG elektrotları) mevcut gürültüyü kaynak yetersizlik içinde üretir, bu nedenle JFET veya CMOS giriş aşamalarını yüksek kesinti yollarına seçebilir.
• [FONT=0)CMRR vs. frekansı: 60 Hz'de 90 dB'nin CMRR'si temeldir; line-freze müdahalesini reddetmek daha iyidir.
• [FONT=0)Gain bant genişliği ve aşırı oranı: sinyal bant genişliği için yeterli olmalıdır (örneğin, standart ECG için 150 Hz).

Multi-channel sistemleri için, birçok yükselteçleri, filtreleri ve ADC'leri tek bir pakette birleştiren, Maxim MAX30001'de görüldüğü gibi düşük gürültü ve küçük ayak izi için optimize edilmiştir.

ADC'yi seçin

ADC, amplifikin gürültü zeminini tamamlamak zorundadır. aşağıdaki kriterleri kullanın:

• [FONT:0)Effective number of bits (ENOB): [DFLT:1] 10 μV zirve-to-peak ECG sinyali için 1 μV RMS gürültü, 16 bit bir ENOB genellikle yeterli. Tıbbi tanı cihazları genellikle 18-24 bitleri gaz analizlerini veya termo çift sinyalleri yakalamaya gerektirir.
• [FONT=0]Sampling oranı ve aşırılık: [Dönetici: 0,0) Oversampling, onu daha geniş bir frekans aralığı üzerinden yayarak, 500 Hz'nin yerine 10 kHz'de örnek olarak, bir EEG için örnek olarak, SNR'yi 3 dB'yi faktör başına yükseltebilir.
• [Üye Olmayanlar:0) Hayırsız Karar:[Dönetici:[Dönetici:0) Bazı üreticiler ADC'nin kendi termal ve referans gürültüyü hesaplayan Aim for at least 16 gürültü-free bits.
• [FONT=0)Power tedarik reddedilmesi: [Dönetici:[Dönetici:0) ADC'nin PSR'yi anahtar frekanslarda (örneğin, 100/120 Hz) bu güç arzının dalgalanmamasını sağlamak için.

Popüler düşük boyutlu sigma-delta ADCs, Analog Cihazları AD7175-2 (24-bit, 250 kSPS, gürültüsüz 18 bitleri) ve Texas Instruments ADS1299 (8 kanal, 24bit, biyopotansiyel ölçümler için tasarlanmıştır.

Gerilim Referans

Referans gerilimi (V_)REF) doğrudan ADC'nin hata ve gürültüyü etkiler.ADC veya Texas Instruments REF50 (5 V, 0.05%) gibi hassas bir referans seçin.

PCB Layout Teknikleri Gürültü Minimizasyon Teknikleri

Katman Stack-Up ve Kompozisyon

Dört katmanlı PCB, tıbbi düşük doz tasarımları için en az olanıdır. Tipik çöp:

• Top katmanı: Analog sinyal izler ve hassas bileşenler.
• Katman 2: Katı zemin uçağı ( analog bölüm altında bölünmez).
• Katman 3: Güç uçağı (günde sessiz 5 V ve 3.3 V rayları).
• Alt tabaka: Dijital sinyalleri ve daha az kritik bağlantıları.

ADC ve amplifikatör, hasta arayüzü bağlantı için mümkün olduğunca yakın bir şekilde yerleştirin. Bir bölgede tüm analog bileşenleri tutun, fiziksel olarak dijital işlemden ayrılır (mikronetler, SPI otobüs, hafıza) her tarafta en az 1-2 cm.

Trace Routing ve Grounding

• [FONT:0]Short ve direkt sinyal yolları: Minik, elektrot bağlantı, yükselteç girişleri ve ADC girişleri arasında uzun süre izlenir.
• [FONT:0)Differential çift routing: inverting ve inverting girişi izlerini eşleştirilmiş uzunlukta bir çift olarak yakından takip eder. Bu, CMRR'yi aynı EMI alanlarına maruz bırakır.
• [FONT:0)Separate analog ve dijital nedenlerle (AGND ve DGND):[DÜT:1) ADC altında 0 {{ direnç veya ferrite bead kullanarak tek bir noktada onlara katılın. Birçok modern ADC ayrı pinler ve açıkça tek bir zemin uçağı yıldız bağlantısı tavsiye eder.
• [FONT:0)Guard analog ve dijital bölümler arasında izler:), ziskan edici darbeyi azaltmak için analog ve dijital alanlar arasında bir zemin izi çalıştırın.

Decoupling Capacitors and Power Dağıtım

10 μF toplu kapasiteli ve dönüşüm sürecinden 0.1 μF seramik kapasitorunu 2 mm'lik bir yana tut.(DDD_{) ve dijital V) için ADC için, ek 1 nF kapasitörler dönüşüm sürecinden yüksek frekanslı geçişli gürültüyü bastırabilir.}

Shielding ve Grounding Strategies

Faraday Cage ve Hasta

Tıbbi cihazlar genellikle yakın ekipmandan (MRI makineleri,ibriller) bir iletken muhafaza gerektirir, tüm açılışlar (uygunluk, kablo girişleri) en kısa faiz dalgasına bağlı olarak.Bu Faraday kafesi, sertifikalı izolasyon yükselteçleri veya dijital defibatörlerden, galvanic izolasyonu kullananlar için 5 kV RMS'ye kadar sağlar.

Twisted Pair Hasta Liderleri için Wiring

Elektron telleri manyetik alan seçiciliğini iptal etmek için çiftleri parçalanmalı. Ek olarak, ECG uygulamalarında bir tahrikli devreyi kullanmalı: DRL elektrot, hastanın vücutlarını ortak mod gerilimi azaltmak için, 20-40 dB tarafından 60 Hz müdahalesini etkili bir şekilde azaltmalıdır.

Ground Loops ve Star Grounding

Unintentional zemin döngüleri, muhafaza yoluyla, kablo koruyucuları veya birden fazla dünya bağlantısı, zemindeki gerilimin düşmesini sağlayan mevcut bir yol yaratır. Tüm analog referanslar için tek bir yıldız zemin kullanın ve güvenlik düzenlemeleri tarafından izin verilmeden önce muhafaza etmek için analog bağlantıdan kaçının.Eğer bir şasi bağlantı gerekliyse, seride küçük bir direnç gösteren (10-100 ULLAH) yer.

Low-Noise için Güç Yönetimi

Seçici Seçme

Düşük-drop (LDO) lineer düzenleyiciler, kritik analog demiryolu için geçiş düzenleyicileri tercih edilir. Analog Cihazlar ADP7104 veya Texas Instruments TPS7A47, 2 μV _RMS) altında 2 μV _{RMS) ve 10 enjeksiyondan 100 kHz.}

Supply Rail'i filtreleyin

Her LDO'nun geniş bantlı gürültüyü azaltmak ve yüksek frekanslı dalgalanmaları azaltmak için ikinci bir sipariş ekleyin.The cutoff frequency should be well under 1 kHz to attenuate switch. For Battery-power devices, düşük seviyeli bir bankayı doğrudan genişleyen bir çıkışta kullanın.

Uyku Modu ve Dinamik Güç Azaltımı

Birçok tıbbi ADCs, güç azaltımı veya standby modları sunar. taşınabilir veya implant edilebilir cihazlarda, ADC ve yükselteçleri yalnızca ölçümler gerektiğinde, ancak uyanık zamanlı sinyalleri yakalamak için yeterince kısadır. Hızlı güç bisikleti, yumuşak başlangıçlı pinleri veya rampaları kullanabilir.

Analog ve Dijital Filtreleme Teknikleri

Analog Anti-Aliasing Filter

ADC'den önce, düşük frekanslı bir filtre, 150 Hz ECG için yüksek çözünürlükte bir başlangıç noktasıdır.Screx(), a second-order Butterworth filtre ile 10 × en yüksek sinyal frekansına (örneğin, 1.5 kHz, düşük dielektrikli absorpsiyonlu (C0G/NP0 seramikler veya film) ile şarj edilebilir bir tek bir yükleyici kullanarak entegre edilebilir.

Dijital Filtreleme ve Averaging

sinyal dijitalleştirilmiş olduğunda, canlı gürültü çıkarmak için dijital filtreleme uygulayın. Common yaklaşımlar:

• [FONT=0) Ortalama filtre: [DÜDÜDÜSTRİYE, düşük frekanslı gürültü azaltma için etkili olan basit, ancak grup gecikmesini sağlar. DC benzeri sinyaller için kullanışlı (glucose algılama, basınç ölçümü).
• [FONT=0)IIR notch filtresi:[Dönetici:[Dönetici:0)IIR notch filtresi:[Dönetici:0)<<<0}IIR notch filtresi:[Dönetici:[Dönem:0]<<0.00 with a notch derinliği ile 40-60 dB. Implement with a second-order biquad to minimize stage deme distch.
• [FONT:0]FIR düşük geçit filtresi:) Zaman-kırıklık uygulamaları için (örneğin kalp R-yoğu algılaması gibi) Örnek: 50-tap filtre ile EEG için 40 Hz.
• [FONT:0)Oversampling and decimation:[Dönetici: 0,4-10 × Nyquist oranı, birik, decimate. Her bir OSR'nin bir 3 dB SNR gelişimine eşdeğer, 0,5 ekstra biraz değer.

Hata düzeltme ve Kalibrasyon

Kendi kendini tanımlayan rutinler hata kazanabilir, denge ve sürüklenebilir. Birçok sigma-delta ADCs özelliği, iç yanlış uyumsuz döngüler sırasında (örneğin, 10 mV veya 100 mV referans) daha doğru sistem düzeyindeki hataları yapabilir.

Düşük ADCs'lerin Test ve Geçerliliği

Tasarımdan sonra, titiz testler gürültü hedeflerinin karşılandığını belirtir. aşağıdaki yöntemleri kullanın:

• [[Dönetici:0)Short giriş testi:[Döntgen:[Dönetici:0)Short giriş testi:[Dönetici:[Dönetici:0) Tie ADC girişleri analog zemine analog ve çıktı gürültü zeminini ölçmek ve veri tablo gürültü özelliklerini ölçmek.
• [FONT=0]SNR ve SINAD ölçümü: Düşük çözünürlükte bir dalga (örneğin, 50 Hz, 200 mV zirve) uygulayın ve sinyal-to-noise oranını hesaplamak ve sıkıcı-özgür dinamik aralığı bir FFT kullanarak.Girişin bir dış filtre tarafından sınırlandırılabilir.
• [FONT:0]Crosstalk değerlendirmesi:[Dön kanal sistemlerinde, büyük bir sinyale tek bir kanala enjekte edin ve bir bitişik kanalda gürültü seviyesini ölç.
• [Düzzamanlı sürüklenme ve sıcaklık testi: [Dönemli: 0,45°C, 10°C) Drift, ±1 LSB'de kalibrasyondan sonra kalmalıdır.

Her bir bileşenle yayılabilir gürültü bütçesine ek olarak, sinyal bant genişliği üzerinde entegre edilmiş gürültü seviyesi. beklenmedik kaynakları tanımlamak için ölçülen sistem gürültü ile karşılaştırıldığında. IEC 60601-2-x (e.g., 60601-2-27 ECG için) belirli eşlerin altında belgelenen gürültü seviyelerini gerektirir - 30 μV_p-p[FLT]

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Düşük doz ADC ön uçları tıbbi cihazlar için tasarlayın, her seviyede dikkat gerektiren çok disiplinli bir meydan okumadır - bileşen veri tablo numaralarından PCB iz geometrisi ve dijital filtreleme katlarına kadar.Küresel olarak, EMI, güç ve ölçümler yoluyla gürültüyü ölçmek, dikkatli bir şekilde yapılandırmak ve ADC seçimi, stratejik düzen, sağlam zemin ve kalkanlama, ve hem de dijital filtrelemek, mühendisler bu uygulamayı doğrudan doğrulayan bir cihazla doğru bir şekilde geliştirirler.