可穿戴电子设备的迷你化驱动器

穿戴技术市场经历了爆炸性增长,从健身带和智能表到先进的医疗补丁和增强现实眼镜等设备。 所有这些设备的共同线索都是无情地追求更小、更轻、更舒适的形式因素。 要做到这一点,就必须从根本上重新考虑电子子系统的设计方式。 最关键的子系统包括将物理传感器数据转换成数字信息进行处理的信号链。 这里,Analog-to-Digital Transformer(ADC)及其配套的放大器发挥着关键作用。

为什么集成ADC和放大模块

传统上,ADC和放大器是分开放在印刷电路板(PCB)上的离散组件。 这种方法消耗了巨大的电板空间,增加了线路的复杂度,并引入了长路互联的潜在噪音源。 通过将这两种功能整合到单一模块中,设计者可以实现较小的足迹、减少寄生电容以及缩短信号路径,从而导致更好的噪音豁免。 此外,集成模块往往共用一个共同的电源管理计划,从而可以更有效地运行和降低整体电源抽取量 — 这对于电池动力可穿戴器来说是一个关键因素,必须单装几天或几周。

可穿戴设计的关键优点

  • 董事会空间储蓄:[ 集成消除了对单独的放大器和ADC包的需要,释放了有价值的房地产,用于额外的传感器,电池容量,或无线连接模块.
  • 简化的路由:[] 单一模块减少微量连接,降低信号退化和电磁干扰的风险(EMI).
  • 改进信号完整性:[]放大器输出和ADC输入之间的更短连接将外部噪声的接头最小化,保持心电图(ECG)或光普普热斯成像传感器等弱传感器信号的忠性.
  • 增强可靠性: 变压器关节和互联减少潜在故障点,导致设备更坚固.

创建契约综合模块方面的设计挑战

虽然好处是明确的,但设计一个可穿戴的ADC和放大器模块是若干技术障碍。 每项挑战都需要创新的解决方案,以确保模块符合消费者和医用级可穿戴的严格要求。

保持小规模信号完整性

在紧凑的模块中,模拟和数字电路必须紧密地共存。来自ADC控制逻辑或数据接口的数码转换噪声可以组合到敏感的放大器输入中,腐蚀测量。设计者通过仔细的地板规划、使用单独的模拟和数字地面飞机以及使用硅上的护圈和隔离壕来解决这个问题。此外,差分信号和专用屏蔽层等先进的布局技术有助于保持信号纯度。

减少电磁干扰

可携带设备往往被RF发射机(蓝牙,Wi-Fi,蜂窝)和其他高频电路包围,集成模块本身也可以生成EMI. 为了达到监管标准(如FCC和CE)并避免干扰其他设备功能,工程师使用EMI滤波器,解耦电容器,并小心的阻隔匹配. 一些模块采用金属罐或导电环氧涂层来装入内置电磁屏蔽.

尽量减少电力消耗而不牺牲性能

电池寿命是可穿戴设备的主要销售点。 集成模块必须在超低功率水平上运行,通常在微模范围内运行,同时仍能提供高分辨率(如16位或24位)和适当的采样率。 这种权衡需要使用先进的CMOS工艺、次阈值电路设计以及动力循环和动力调制等动态电源管理技术。 许多现代ADC使用连续近似(SAR)的架构,提供极佳的速度、分辨率和低功率平衡。

实现充分收益和解决

易穿戴的传感器往往产生极小的电压变化,例如热电偶每摄氏度只产生几微伏,或生物潜力电极能接收毫发率的心脏信号。 放大器必须提供足够的收益,将这些信号带入ADC的范围,而不会增加显著的噪音。 综合模块现在包括可适应不同传感器类型的可编程增益放大器(PGA),以及高超采样三角西格玛ADC,它们可以交易速度以达到更高的有效分辨率。

新兴技术和设计技术

综合ADC和放大器模块的创新步伐正在加速,这受下一代可穿戴设备需求的驱动。 几种关键技术正在塑造未来。

超低功率 SOC 解决方案

系统芯片(SoC)方法不仅集成ADC和放大器,而且集成微控制器,内存和无线接口,这些高度集成的设备大大降低了可穿戴感应节点的组件数,例如Analog设备ADA4692[系列提供铁路对铁路的输入/输出,具有超低功率,适合直接连接到可穿戴器中的高障碍感应器. 类似,[Texas ADS702[系列将一个12位ADC与一个内置的PGA和电压参照物在一个小包中集成.

高级包装: Fan-Out Wafer- Level 和 3D 堆叠

为了进一步减少足迹,制造商正在采用先进的包装方法。Fan-out wafer级包装(FOWLP)允许一个没有外部铁丝网的较小的包大小,减少了寄生线。 使用通过硅(TSVs)的硅来堆放3D堆积硅,可以使放大器和ADC垂直结合,缩小多氯联苯的整体面积。 这些技术对于下一代的可穿戴性至关重要,因为厚度与面积一样重要。

数字校准和自试

为了保持温度和老化的高度精确性,集成模块越来越多地包含芯片上的数字校准电路,这些电路测量在启动或定期发生时抵消和增益错误,然后数字化应用校正,一些模块包括内置的自试(BIST)功能,这些功能可以验证信号路径的完整性,而无需外部测试设备,在无法选择失败的情况下,提高医用穿戴设备的可靠性.

多传感器融合的MEMS集成

下一个前沿是将ADC和放大器与MEMS传感器在同一底板上结合。例如,一个加速计或陀螺仪可以与其专用信号调节电路共同包装,在单个、小包中形成一个完整的惯性测量单元(IMU)。这种方法会大幅缩小板块空间,并使得复杂的传感器聚变算法能够用于活动跟踪、手势识别和秋季探测。

可穿戴设备中的应用程序示例

适配跟踪器和智能表

现代健身跟踪器依赖于PPG传感器来进行心率和血液氧监测. 光电二极管输出是一个小电流,需要变换放大器,然后是ADC. 专门为光学前端设计的集成模块,如 Maxim MAX86141[,将低噪放大器,ADC,LED驱动器组合在一个紧凑的包件中,能够进行持续监测,同时尽量减少电池排水.

医疗补丁和连续葡萄糖监测器

连续胶体监测器(CGM)或ECG补丁等可穿戴的医疗补丁需要极低的噪音和高分辨率来检测昏暗的生物信号. 24位三角形-西格玛ADC和直升机稳定放大器的集成模块现在以2x2毫米大小的包件形式提供,这些设备使用专有算法来取消电极抵消和运动文物,为临床级诊断提供清晰的信号.

耳机和音频增强

真无线耳机和助听器受益于集成ADC和放大器模块,这些模块转换麦克风信号时变形率低,功率最小,同样模块还可以驱动一个小扬声器,在单个芯片中创建完整的音频路径. 高级噪声响应系统使用多个具有紧密匹配增益和相位特性的麦克风,通过集成解决方案减少频道间不匹配,使得这些声音能够实现.

未来趋势:边际和能源收获问题大赦国际

展望未来,集成模拟前端与边缘AI处理器的交汇,将使可穿戴器能够进行实时分析,而无需向云层发送原始数据。这可以减少带宽,节省电量。例如,集成模块可以从当地ECG信号中检测出心律不全,只有在必要的时候才会触发警报。热电发电机或光伏电池等能源采集技术可以为这些超低功率模块提供动力,有可能产生自负的可穿戴器,而不需要充电。

结论

开发集成ADC和放大器模块是下一波可穿戴设备的关键增强器。 通过结合功能、节省空间和减少电源,这些模块使工程师能够创造出同时更有能力和更舒适的产品。 随着半导体工艺和包装技术的持续发展,我们可以期望集成水平更高,使我们更接近无干扰可穿戴的愿景,从而无缝地增加我们的日常生活。

对于开始穿戴设计,从主要制造商评价最新的集成模块是明智的第一步。 资源如电子设计可穿戴分析[和MDPI传感器日记[,可以不断深入了解这个快速移动的领域。