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用於健康照護的TI整合型類比前端揭密

上網時間: 2012年11月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電氣隔離  感測器  ADS1298  Bi-CMOS  ViSi 

作者:Treena Grevatt

產品行銷經理

UBM TechInsights

健康照護設備的先進發展著實令人感到振奮。健康照護設備設計的改善開始關注於運動員與健身愛好者手持的生理訊號監測系統,而更重要的,一系列全新的病患監測設備可望用於提升使用的舒適度,以及改善住院效果。

直到最近,生理訊號監測系統由於體積較大且功耗高,對於攜帶外用造成限制。因此,臨床環境的連續監測只能用於嚴重的病人,而60%至70%的病人只能進行週期性的監測。如果能夠實現可負擔的低功耗可攜式監測系統,病人的安全、監測效果和舒適度都將得以明顯提升。這些特性還將使這些設備系列擴展到非醫院環境下的慢性病病人監護。

德州儀器(TI)的晶片在這類設備的進展中扮演著重要的角色。2010年發佈的ADS129x系列元件提供了完全整合的類比前端(AFE)功能,可用於病人照護、可攜式和高階心電圖(ECG)與腦波圖(EEG)設備。開發這種IC的工程師隊伍必須權衡一些極具挑戰性的設計目標:每通道功耗小於750uW、雜訊符合IEC的ECG標準(10uVp-p輸入),8mmx8mm的尺寸以實現可攜式以及拋棄式ECG貼片應用,以及低成本要求。

讓我們仔細看看ADS129x系列中的ADS1298元件拆解,圖1就是該元件的晶片圖。ADS1298是針對ECG/EEG應用開發的一款8通道、24位元整合類比前端。採用8mmx8mm的BGA封裝,裸片尺寸為6mmx5.6mm。經過工程師的精心佈局設計,讓ADS1298整合了組合面積可達1,800mm2的43個獨立IC功能。


圖1:TI的8通道、24位元整合型類比前端ADS1298平面圖。在這個8mmx8mm的晶片上整合了43個獨立IC的功能。

由於這些應用的輸入訊號非常微弱,所以設計時必須特別留意輸入阻抗。差分輸入訊號經過EMI濾波模組以及可消除1/f雜訊的低雜訊斬波穩定PGA。TI工程師在delta sigma轉換器的基礎上為ADS129x系列設計了一款新的類比數位轉換器(ADC)核心。這種ADC特別敏感,功耗也比競爭產品更低3倍。另外還使用1.2V能隙電路以提供高精度的參考電壓(Vref)訊號。

除了注意佈局以外,我們還發現電氣隔離也是設計和處理的重點。設計中廣泛使用了去耦電容,用於實現電路模組間的電氣隔離,而且還有三重位能阱結構實現完整的電氣隔離。

更深入來看,圖2顯示了ADS1298的SEM橫截面。從圖中可以看出,該元件使用了堅固且高良率的0.35um 4層鋁Bi-CMOS製程。Bi-CMOS製程和低雜訊雙極放大器成就了ADS1298的低功耗和低雜訊性能。


圖2:TI ADS1298晶片的SEM橫截面圖顯示,該元件使用技術成熟、高良率且可靠的4層鋁0.35um製程。

ADS129x系列元件應用於Sotera Wireless公司的ViSi行動式病人監測儀,這種監測儀於2012年4月獲得了FDA認證。Sotera Wireless公司的第一代系統是醫院使用的連續生理訊號監測系統。這種系統很小,可配戴在手腕上,其中包括3個感測器

光學拇指感測器,用於測量脈搏和SpO2

胸部感測器,用於測量ECG/HR、呼吸和皮膚溫度

護腕模組,用於單次充氣膨脹或自動NIBP監測


圖3:Sotera的ViSi行動系統充分發揮了ADS1298在腕戴式監測儀中小體積和更低功耗的優勢。(圖片來源:Sotera Wireless)

小尺寸改善了病人的舒適性和可攜性。該系統的低成本能將連續監測的好處帶給更多的病人。目前正開發中且尚未得到FDA批准的新系統版本還將包括無線連接等更多功能。Sotera Wireless公司技術長Jim Moon強調ADS129x系列元件在他們設備開發中的重要性:“用於病人監測的TI ADS1298R類比前端使得ViSi行動病人監測儀的實現成為可能。它提供的體積縮減和功耗降低都是無與倫比的。”

隨著醫療電子領域對於系統更高可靠性的要求,在系統設計時面臨了與消費電子同樣的工程技術挑戰。像TI ADS129x系列這樣的元件完全能夠因應這些挑戰,同時,該領域的更多技術創新也值得我們密切關注。





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