Table of Contents

Привід для мініатуризації в зносних електромережах

Ринок зносних технологій має досвідчений вибухобезпечний ріст, з пристроями, починаючи від фітнес-груп і смарт-годинників для досвідчених медичних патчів і доповнених реальних окулярів. Поширена нитка по всій цих пристроях є нестримним, стійким, що відповідає меншій, більш легкому і більш комфортному формуванню факторів. Досягнення цього при підтримці або поліпшенні продуктивності вимагає фундаментального переосмислення як створюються електронні підсистеми. Серед найбільш критичних підсистем є сигнальні ланцюги, які перетворюють фізичні дані датчика в цифрову інформацію для обробки. Тут Analog-to-Digital Converter (ADC) і його супроводжуючий підсилювач грають жильно-підсирову роль.

Чому інтегровані модулі ADC та підсилювача

Традиційно ADCs і підсилювачі були дискретні компоненти, розміщені окремо на друкованій платі (PCB). Цей підхід споживає значний простір дошки, збільшує складність маршрутизації, і вводить потенційні джерела шуму з довгих з'єднань. Включаючи обидві функції в єдиний модуль, дизайнери можуть досягати меншого відбитка стоп, зменшити параситичну ємність, а коротші сигнальні доріжки, які призводять до кращого імунітету шуму. Крім того, інтегровані модулі часто діляться загальною схемою управління живлення, що дозволяє більш ефективно працювати і знизити загальну потужність - критичний фактор для акумуляторних зносних зносних, які повинні тривати дні або тижні на одному заряді.

Ключові переваги для зносних дизайнів

  • Board Space Savings: Інтеграція усуває необхідність окремого підсилювача та пакетів ADC, звільняючи цінну нерухомість для додаткових датчиків, ємності акумулятора або модулів бездротової підключення.
  • Спрощено Маршрутизацію: Один модуль зменшує кількість мікроелементів, знижуючи ризик деградації сигналів та електромагнітних перешкод (EMI).
  • Improved Signal Integrity: Короткі з'єднання між вихідним підсилювачем і вхідом ADC мінімізації пікап зовнішнього шуму, зберігаючи точність слабких сигналів датчиків, таких як електрокардіограма (ECG) або фотоплестисмографія (PPG) датчики.
  • Забезпечена надійність: Паяльщики та з'єднання знижують потенційні точки збою, що призводять до більш міцних пристроїв.

Проектні виклики у створенні комп'ютерних інтегрованих модулів

Під час створення переваг є чіткими, інженерними інтегрованими модулями ADC та підсилювачами для носіїв, що представляє кілька технічних перешкод. Кожен виклик вимагає інноваційних рішень, щоб забезпечити відповідність вимогам законодавства споживача та медичних засобів.

Підтримка інтегративності сигналу на малих масштабах

У компактному модулі аналогові та цифрові схеми повинні співати в безпосередній близькості. Цифровий комутаційний шум від логіки контролю ADC або інтерфейс даних може входити в вхід чутливого підсилювача, пошкоджений вимірювання. Дизайнери заглушують це через ретельне планування підлоги, використовуючи окремі аналогові та цифрові площини наземних, а також використовують захисні кільця та ізольовані траншеї на силіконовій гині. Додатково передові методи планування, такі як диференціальне сигналування та виділені шари щитівок допомагають підтримувати чистоту сигналу.

Зменшення електромагнітного перевтомлення (EMI)

Зносні пристрої часто оточують RF-передавачами (Bluetooth, Wi-Fi, стільниковий) та інші високочастотні схеми. Вбудований модуль також може генерувати EMI. Для відповідності нормативних стандартів (наприклад, FCC та CE) і уникнути перешкод з іншими функціями пристрою, інженери використовують фільтри EMI, декоулінгові конденсатори, а також обережні недоліки. Деякі модулі включають вбудоване електромагнітне щитування за допомогою металевих банок або провідні епоксидні покриття.

Мінімізація споживання електроенергії без заспокійливих продуктивності

Термін служби акумулятора є основною точкою продажу для носіїв. Інтегровані модулі повинні працювати на рівні ультранизу, часто в діапазоні мікропампера, в той час як все ще забезпечує високу роздільну здатність (наприклад, 16-біт або 24-біт) і достатній рівень відбору. Ця торгово-офіс вимагає використання розширених процесів CMOS, підтримуваних схем, і динамічних методів управління живлення, таких як кермовий велосипед і харчування. Багато сучасні ADCs використовують послідовний репроксаційний реєстр (SAR) архітектури, які пропонують відмінний баланс швидкості, роздільної здатності і низької потужності.

Ачивний глухий зонд і резолюція

Зносні датчики часто виробляють дуже невеликі зміни напруги - наприклад, термопара, що генерує тільки кілька мікровольтів за ступенем Цельсія або біопотенціальний електрод, що підбирає мілівольт-рівневі серцеві сигнали. Підсилювач повинен забезпечити достатню кількість приріст, щоб принести ці сигнали в діапазон ADC без додавання значного шуму. Інтегровані модулі тепер включають в себе програмовані підсилювачі підсилювачі наросту (PGA), які можуть адаптуватися до різних типів датчиків, і високонадійні дельта-сигматичні ADCs, які швидкість торгівлі для більш ефективного вирішення.

Технології та технології проектування

Мода інновацій в інтегрованих модулях ADC та підсилювача є прискоренням, керованих попитами на наступні роботи зносних пристроїв. Кілька ключових технологій формуються майбутнє.

Ультра-Low-Power SOC Рішення

Системно-на-чіп (СоК) підходи, які інтегрують не тільки ADC і підсилювач, але і мікроконтролер, пам'ять, і бездротовий інтерфейс стає все частіше поширеним. Ці високоінтегровані пристрої різко зменшують кількість компонентів для зносостійкого вузла датчика. Наприклад, Analog Devices ADA4692 серії пропонує залізнично-рейковий вхід / вихід з ультранизу живлення, придатний для прямого підключення до датчиків високої продуктивності в носіях. Аналогічно, Tex Instrumentas' ADS702[FLT: 12GAbit]

Розширена упаковка: Вентилятор-Оут Wafer-Level і 3D стека

Для мінімізації відбитків ніг додатково виробники приймають передові методи упаковки. Вентилятор-вихід вафельного рівня упаковки (FOWLP) дозволяє менший розмір пакету без зовнішніх дротових облігацій, зменшуючи паразитичну індуктивність. 3D укладання силіконних штампів за допомогою крізь кремнію через TSVs) дозволяє вертикальну інтеграцію підсилювача і ADC, усадку загальної площі на друкованій платі. Ці технології критичні для наступних поколінь зносних матеріалів, де товщина є важливою як площа.

Цифрове калібрування та самозабезпечення

Для підтримки високої точності перепаду температури і старіння інтегровані модулі все частіше включають в себе цифрові схеми калібрування на основі цифрових схем. Ці схеми вимірюють зсув і отримують помилки при запуску або періодично, потім наносять виправлення цифрово. Деякі модулі включають вбудовані функції самотесту (BIST), які можуть перевірити цілісність сигналу без зовнішнього випробувального обладнання, поліпшення надійності в медичних носіях, де відмова не є варіантом.

Інтеграція MEMS для мультисенсорної Fusion

Наступний передній - це інтеграція ADC та підсилювача з датчиками MEMS на одному підкладці. Наприклад, акселерометр або гіроскоп може бути співпакований з його виділеною схемою кондиціонування сигналу, створення повного інертного блоку вимірювання (IMU) в одному, крихітному пакеті. Цей підхід знижує простір дошки, різко і дозволяє складні алгоритми синтезу fusion для відстеження активності, розпізнавання жестів і виявлення падіння.

Приклади застосування в зносних пристроях

Фітнес трекери та смарт-годинники

Сучасні трекери для фітнесу спираються на датчики PPG для частоти серцевих скорочень і моніторингу кисню крові. Вихід фотодіоду є невеликим струмом, який вимагає підсилювача поперечного перенапруги, що слідують ADC. Інтегровані модулі, призначені спеціально для оптичних фронт-ендів, як Максим МАКС86141, об'єднують низько-незимовий підсилювач, ADC, і світлодіодні драйвери в компактному пакеті, що дозволяє безперервно контролювати з мінімальним зливом акумулятора.

Медичні пачки та безперервні монітори глюкози

Зносні медичні патчі, такі як безперервні монітори глюкози (CGMs) або ECG, вимагають надзвичайно низького шуму і високої роздільної здатності для виявлення слабких біологічних сигналів. Інтегровані модулі з 24-bit delta-sigma ADCs і chopper-стабілізовані підсилювачі тепер доступні в пакетах, як невелика, як 2x2 мм. Ці пристрої використовують власні алгоритми для скасування електроде-розміщення і руху артефактів, що забезпечують чіткі сигнали для клінічно-градедіагностики.

Випадкові матеріали та аудіо-змінювання

Справжні бездротові навушники та слухові апарати отримують перевагу від інтегрованих модулів ADC та підсилювачів, які перетворюють мікрофонні сигнали з низьким спотворенням та мінімальною потужністю. Цей же модуль також може приводити невеликий динамік, створюючи повну аудіо шлях в одному чіпі. Додаткові шумоочисні системи використовують декілька мікрофонів з щільно підібраними наростками та фазовими характеристиками, що дозволило інтегрованим рішенням, що знижують міжканальні мітки.

Майбутні тренди: AI на краю та енергозберігаючій

Попереду, конвергенція інтегрованих аналогових фронт-ендів з процесорами AI дозволить носити з собою можливість здійснювати аналіз в режимі реального часу без надсилання сирих даних до хмари. Це зменшує пропускну здатність і економить потужність. Наприклад, інтегрований модуль може виявити аритмії від сигналу ECG локально, що викликає оповіщення тільки при необхідності. Технології енергозберігаючі, такі як термоелектричні генератори або фотоелектричні клітини, можуть живлення цих ультранизькі модулі, потенційно створюючи самозбереження носіїв, які ніколи не потребують зарядки.

Висновок

Розробка інтегрованих модулів ADC та підсилювачів є критичним увімкненням для наступної хвилі зносних пристроїв. Завдяки поєднує в собі функціональні можливості, економію простору та зменшення потужності, ці модулі дозволяють інженерам створювати продукти, які одночасно здатні і зручніше. Як і напівпровідникові процеси та технології упаковки продовжують розвиватися, ми можемо очікувати навіть більш високих рівнів інтеграції, наблизившись до бачення ненав’язливих зносних, які безшовно збільшують наше повсякденне життя.

Для інженерів, які розсмоктуються на зносному дизайні, оцінюючи останні інтегровані модулі від провідних виробників, є мудрим першим кроком. Ресурси, такі як Електронний аналіз дизайну і журналу датчиківMDPI, забезпечують поточні уявлення в цьому швидкознімальному полі.