For highly integrated implantable a

For highly integrated implantable applications requiring microwatt power levels, switched capacitor voltage converters are an effective approach. Switched capacitor converters can be integrated on the same silicon chip with other processing and communication circuits without external components, allowing for a compact system realization. As the output voltage is dictated by fixed capacitor ratios, the majority of capacitive voltage converters have a limited, discrete set of output voltages. The implementation of dynamic voltage scaling (DVS), to reduce power consumption, requires variable supply voltages. Switched capacitor converters can be enhanced with additional switches and capacitors to be able to realize sufficient granularity of output voltages for DVS (34). Switched capacitor converters are used in implantable pacemakers to generate the 5 V supply that is used to stimulate the heart muscle (1, 35).

At power levels in the tens of milliwatt range and above, external inductors and capacitors are usually required to realize efficient voltage converters. At these power levels, inductor/transformer-based converter architectures are preferred to switched capacitor converters due to their high efficiencies and ability to generate arbitrary output voltages. Inductor-based converter architectures are simple to realize, requiring only a few digital switches, an output filter, and control circuitry (36). Transformer-based switching converters are used in cardioverter-defibrillators, which use a buck-boost flyback converter to generate 750 V pulses to shock the heart (37). Ultimately, with proper circuit design, both switched capacitor converters and inductor/transformer-based converters can efficiently power portable and implantable biomedical devices.

3.2. Ultralow-Power Signal Processing
The types of processing operations required for biomedical devices include filtering, spectral analysis, correlation, threshold/envelope detection, modulation, and data compression. Further, in all cases, the transfer functions must adapt to the perceptions and responses of individual users. As a result, a high degree of programmability in the defining parameters is critical. Generally, two processing domains exist: analog and digital. Hybrid approaches, where the strengths of one processing domain are used to assist the other, also exist for specialized applications (38, 39). Broadly, however, analog signal processing is governed by the rich input-output characteristics of transistors. On one hand, as described in Section 3.2.1, certain complex computations can be performed very efficiently by exploiting these (40); however, sensitivities to environment, biasing, noise, and variation limit their dynamic range. Digital signal processing, on the other hand, quantizes the signal to margin against these sensitivities, but requires additional hardware to process the quantization residue. Here, the need to convert physical analog signals into digital signals with the appropriate resolution, via analog-to-digital conversion, is unavoidable. Because this can be a high-power operation, analog preprocessing should be considered to reduce the ADC dynamic-range or sampling rate requirements.


3.2.1. Low-power analog signal processing.Critical considerations for analog circuits are the power cost of increasing dynamic range and the inconsistency in precise device behavior. The human ear, for instance, can detect sounds ranging from minute air vibrations, on the order of a tenth of an atomic diameter, to noises at the threshold of pain, representing over 110 dB of dynamic range. In analog circuits, however, large-signal excursions alter device operating conditions, resulting in nonlinear distortion, and small-signal excursions are indecipherable due to fundamental device noise. Unfortunately, in advanced technologies, the linear range is decreasing rapidly due to voltage limitations that the fine device features can withstand. Simultaneously, increasing the signal-to-noise ratio (SNR) fundamentally requires a quadratic increase in power. Consequently, selective device biasing and circuit topologies are required to perform analog computations efficiently. Moreover, as many biosignals of interest are at low frequencies, circuits are highly susceptible to 1/f and popcorn device noise. Techniques, such as chopper stabilization and correlated double sampling (41), which are used to cancel device parameter offsets, also help to manage these (42).


Sub-threshold operation.The transconductance behavior of a MOSFET, where an input voltage, VGS, generates an output current, ID, is critical to analog circuits. The threshold voltage, Vt, loosely separates the two regimes of VGS, where ID, for an NMOS, is given by Equations 2 and 3 (43), respectively:

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

สำหรับบูรณาการงานปรุงต้องระดับพลังงาน microwatt ตัวเก็บประจุเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าเป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพ สามารถรวมตัวเก็บประจุเปลี่ยนแปลงบนชิซิลิโคนเหมือนกับวงจรอื่น ๆ ประมวลผลและการสื่อสารโดยส่วนประกอบภายนอก ช่วยการรับรู้ระบบกะทัดรัด แรงดันขาออกจะบอก ด้วยอัตราส่วนคงที่ตัวเก็บประจุ ส่วนใหญ่ของแปลงควบคุมแรงดันไฟฟ้ามีจำกัด แยกชุดของแรงดันเอาท์พุท การดำเนินการของมาตราส่วน (DVS), การลดการใช้พลังงาน แรงดันไฟฟ้าไดนามิกต้องแปรแหล่งจ่ายไฟ สามารถเพิ่มตัวเก็บประจุเปลี่ยนแปลงสวิตช์เพิ่มเติมและตัวเก็บประจุจะสามารถตระหนักถึงความละเอียดเพียงพอของแรงดันเอาท์พุทสำหรับ DVS (34) ตัวเก็บประจุเปลี่ยนแปลงที่ใช้ในเครื่องปรุงกระตุ้นเพื่อสร้างอุปทาน 5 V ที่ใช้กระตุ้นกล้ามเนื้อหัวใจ (1, 35)ในระดับพลังงานหลายสิบช่วง milliwatt และเหนือ โช้กภายนอกและตัวเก็บประจุมักจะจำเป็นเพื่อแปลงแรงดันไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพ ที่ระดับพลังงานเหล่านี้ ตัวเหนี่ยวนำ/หม้อแปลงไฟฟ้าใช้ตัวแปลงก็เป็นที่ต้องการตัวเก็บประจุเปลี่ยนแปลงเนื่องจากประสิทธิภาพสูงและความสามารถในการสร้างแรงดันเอาท์พุทโดยอำเภอใจ ก็ใช้ตัวเหนี่ยวนำตัวแปลงเป็นจริง ต้องการเพียงไม่กี่ดิจิตอลสวิตช์ ตัวกรองข้อมูลผลลัพธ์ และควบคุมวงจร (36) ใช้หม้อแปลงไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงจะใช้ใน cardioverter-เครื่อง ที่ใช้ตัวแปลง flyback บัคเพิ่มเพื่อสร้าง 750 V พัลส์ช็อคหัวใจ (37) สุด กับการออกแบบวงจรที่เหมาะสม ทั้งสองเปลี่ยนแปลงตัวเก็บประจุ และตัวเหนี่ยวนำ/หม้อแปลงไฟฟ้าใช้แปลงสามารถใช้อุปกรณ์การแพทย์แบบพกพา และปรุงได้อย่างมีประสิทธิภาพ3.2. การประมวลผลสัญญาณ ultralow พลังงาน ชนิดของการดำเนินการประมวลผลที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์แพทย์รวมกรอง วิเคราะห์สเปกตรัม ความสัมพันธ์ ตรวจสอบเกณฑ์/ซอง ปรับ และการบีบอัดข้อมูล เพิ่มเติม ในทุกกรณี ฟังก์ชันการถ่ายโอนต้องปรับการรับรู้และการตอบสนองของแต่ละคน เป็นผล โปรแกรมในพารามิเตอร์กำหนดในระดับสูงเป็นสำคัญ โดยทั่วไป การมีอยู่ของโดเมนสองประมวลผล: อนาล็อก และดิจิตอล วิธีผสม ที่จุดแข็งของการประมวลผลหนึ่งโดเมนจะใช้ในการช่วยเหลืออื่น ๆ ยังมีอยู่สำหรับใช้งานเฉพาะ (38, 39) ทั่วไป อย่างไรก็ตาม การประมวลผลสัญญาณแอนะล็อกอยู่ภายใต้ลักษณะอินพุตเอาต์พุตรวยของทรานซิสเตอร์ บนมือ ตามที่อธิบายไว้ในส่วน 3.2.1 ประมวลผลที่ซับซ้อนบางอย่างสามารถดำเนินการอย่างมีประสิทธิภาพ โดยใช้ประโยชน์จากเหล่านี้ (40); อย่างไรก็ตาม ความไวต่อสภาพแวดล้อม การให้น้ำหนักกับ เสียง และการเปลี่ยนแปลงจำกัดช่วงไดนามิก การประมวลผลสัญญาณดิจิตอลบนมืออื่น ๆ quantizes สัญญาณอัตรากับไวเหล่านี้ แต่ต้องใช้ฮาร์ดแวร์เพิ่มเติมการกาก quantization ที่นี่ การแปลงสัญญาณแอนะล็อกที่มีอยู่จริงเป็นสัญญาณดิจิตอลด้วยความละเอียดที่เหมาะสม ผ่านการแปลงแอนะล็อกดิจิทัล เนื่องจากนี้จะมีการดำเนินการกำลังสูง การประมวลผลเบื้องต้นนะว่าลดความต้องการ ช่วงแบบไดนามิก หรือตัวอย่างอัตรา ADC3.2.1 การประมวลผลสัญญาณแอนะล็อกพลังงานต่ำ ข้อควรพิจารณาที่สำคัญสำหรับวงจรแอนะล็อกมีค่าพลังงานเพิ่มช่วงไดนามิกและไม่สอดคล้องในการทำงานอุปกรณ์ที่แม่นยำ หูของมนุษย์ เช่น สามารถตรวจหาเสียงตั้งแต่นาทีอากาศสั่นสะเทือน สั่งสิบของเส้นผ่าศูนย์กลางอะตอมตัว เสียงในความเจ็บปวด การแสดงช่วงกว่า 110 dB ในวงจรแอนะล็อก อย่างไรก็ตาม ห้องใหญ่สัญญาณเปลี่ยนแปลงเงื่อนไข เกิดความผิดเพี้ยนเชิงเส้น การใช้งานอุปกรณ์ และสัญญาณขนาดเล็กแบบเป็น indecipherable เนื่องจากเสียงอุปกรณ์พื้นฐาน อับ เทคโนโลยีขั้นสูง ช่วงเชิงเส้นจะลดลงอย่างรวดเร็วเนื่องจากข้อจำกัดของแรงดันไฟฟ้าที่มีอุปกรณ์ที่ดีสามารถทนต่อการ พร้อมกัน เพิ่มอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) พื้นฐานต้องเป็นกำลังสองการเพิ่มพลังงาน ดังนั้น เลือกอุปกรณ์วงจรและการให้น้ำหนักกับโทจะต้องทำการประมวลผลแบบแอนะล็อกได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ เป็น biosignals มากน่าสนใจความถี่ต่ำ วงจรมีความไวสูงต่อสัญญาณรบกวนอุปกรณ์ 1/f และข้าวโพดคั่ว เทคนิค เช่นสับเสถียรภาพและมีความสัมพันธ์คู่สุ่ม (41), ซึ่งใช้ในการยกเลิกการปรับค่าพารามิเตอร์ของอุปกรณ์ ช่วยในการจัดการเหล่านี้ (42)การดำเนินงานเกณฑ์ย่อย ลักษณะการทำงานของตัว MOSFET ที่แรงดันไฟฟ้าอินพุต VGS สร้างผลลัพธ์การปัจจุบัน ID, transconductance เป็นสิ่งสำคัญวงจรแอนะล็อก ขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้า Vt หลวม ๆ แยกระบอบสองของ VGS ที่หมายเลข สำหรับการ NMOS ถูกกำหนด โดยสมการที่ 2 และ 3 (43), ตามลำดับ:

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

สำหรับการใช้งานฝังอย่างบูรณาการกำหนดระดับพลังงานไมโครเปลี่ยนประจุแปลงแรงดันไฟฟ้าเป็นแนวทางที่มีประสิทธิภาพ เปลี่ยนแปลงตัวเก็บประจุสามารถบูรณาการในซิลิคอนชิปเดียวกันกับการประมวลผลและการสื่อสารอื่น ๆ วงจรโดยไม่ต้องมีองค์ประกอบภายนอกเพื่อให้สามารถก่อให้เกิดระบบที่มีขนาดกะทัดรัด ในฐานะที่เป็นแรงดันขาออกจะถูกกำหนดโดยอัตราส่วนประจุคงที่ส่วนใหญ่ของแปลงแรงดันไฟฟ้า capacitive มี จำกัด ชุดที่ไม่ต่อเนื่องของแรงดันเอาท์พุท การดำเนินงานของการปรับแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิก (DVS) เพื่อลดการใช้พลังงานต้องใช้แรงดันตัวแปร เปลี่ยนแปลงตัวเก็บประจุสามารถเพิ่มด้วยสวิทช์เพิ่มเติมและตัวเก็บประจุที่จะสามารถที่จะตระหนักถึงความละเอียดที่เพียงพอของแรงดันเอาท์พุทสำหรับ DVS (34) เปลี่ยนแปลงตัวเก็บประจุที่ใช้ในเครื่องกระตุ้นหัวใจในการสร้างงาน 5 V อุปทานที่ใช้ในการกระตุ้นกล้ามเนื้อหัวใจ (1, 35). ระดับพลังงานในสิบของช่วงมิลลิวัตต์และข้างต้น inductors ภายนอกและตัวเก็บประจุมักจะจำเป็นต้องตระหนักถึงความมีประสิทธิภาพ แปลงแรงดันไฟฟ้า ระดับพลังงานเหล่านี้เหนี่ยวนำ / หม้อแปลงตามสถาปัตยกรรมแปลงเป็นที่ต้องการที่จะเปลี่ยนแปลงตัวเก็บประจุเนื่องจากการที่มีประสิทธิภาพสูงและความสามารถในการสร้างแรงดันไฟฟ้าที่ส่งออกโดยพลการ เหนี่ยวนำที่ใช้สถาปัตยกรรมแปลงมีความเรียบง่ายที่จะตระหนักถึงต้องใช้เพียงไม่กี่วิทช์ดิจิตอลตัวกรองส่งออกและวงจรควบคุม (36) หม้อแปลงไฟฟ้าตามแปลงในการสลับที่ใช้ใน cardioverter-เครื่องช็อกไฟฟ้าซึ่งใช้แปลงเจ้าชู้เพิ่ม flyback เพื่อสร้าง 750 V พัจะช็อตหัวใจ (37) ในท้ายที่สุดด้วยการออกแบบวงจรที่เหมาะสมทั้งเปลี่ยนแปลงตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำ / หม้อแปลงไฟฟ้าตามแปลงอย่างมีประสิทธิภาพสามารถพกพาอำนาจและอุปกรณ์ชีวการแพทย์ implantable. 3.2 ultralow-Power ประมวลผลสัญญาณประเภทของการดำเนินงานที่จำเป็นสำหรับการประมวลผลอุปกรณ์ชีวการแพทย์รวมถึงการกรองการวิเคราะห์สเปกตรัมความสัมพันธ์เกณฑ์ / การตรวจสอบซอง, เอฟเอ็มและการบีบอัดข้อมูล นอกจากนี้ในทุกกรณี, ฟังก์ชั่นการถ่ายโอนจะต้องปรับให้เข้ากับการรับรู้และการตอบสนองของผู้ใช้แต่ละคน เป็นผลให้ระดับสูงของการเขียนโปรแกรมในการกำหนดค่าพารามิเตอร์เป็นสิ่งสำคัญ โดยทั่วไปแล้วการประมวลผลสองโดเมนอยู่: อนาล็อกและดิจิตอล วิธีไฮบริดที่จุดแข็งของโดเมนการประมวลผลอย่างใดอย่างหนึ่งที่ใช้ในการให้ความช่วยเหลืออื่น ๆ ยังมีอยู่สำหรับการใช้งานเฉพาะ (38, 39) ในวงกว้าง แต่การประมวลผลสัญญาณอนาล็อกจะเป็นไปตามลักษณะนำเข้าส่งออกที่อุดมไปด้วยทรานซิสเตอร์ บนมือข้างหนึ่งที่อธิบายไว้ในมาตรา 3.2.1 การคำนวณที่ซับซ้อนบางอย่างสามารถดำเนินการได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการใช้ประโยชน์เหล่านี้ (40); แต่ความไวต่อสภาพแวดล้อมให้น้ำหนัก, เสียงและรูปแบบ จำกัด ช่วงแบบไดนามิกของพวกเขา การประมวลผลสัญญาณดิจิตอลบนมืออื่น ๆ , quantizes สัญญาณให้อัตรากำไรขั้นต้นกับความเปราะบางเหล่านี้ แต่ต้องใช้ฮาร์ดแวร์เพิ่มเติมในการประมวลผลตกค้าง quantization ที่นี่ต้องแปลงสัญญาณอนาล็อกทางกายภาพเป็นสัญญาณดิจิตอลที่มีความละเอียดที่เหมาะสมผ่านระบบอะนาล็อกเป็นดิจิตอลแปลงหลีกเลี่ยงไม่ได้ เพราะนี่อาจจะเป็นการดำเนินงานกำลังสูง preprocessing อนาล็อกควรพิจารณาเพื่อลด ADC แบบไดนามิกช่วงหรือต้องการอัตราการสุ่มตัวอย่าง. 3.2.1 สัญญาณอนาล็อกพลังงานต่ำการพิจารณา processing.Critical สำหรับวงจรอนาล็อกเป็นค่าใช้จ่ายในการใช้พลังงานของการเพิ่มช่วงแบบไดนามิกและความไม่สอดคล้องกันในพฤติกรรมของอุปกรณ์ได้อย่างแม่นยำ หูของมนุษย์เช่นสามารถตรวจจับเสียงตั้งแต่การสั่นสะเทือนของอากาศนาทีในการสั่งซื้อของหนึ่งในสิบของเส้นผ่าศูนย์กลางอะตอมเพื่อเสียงที่เกณฑ์ของความเจ็บปวดเป็นตัวแทนกว่า 110 เดซิเบลของช่วงแบบไดนามิก ในวงจรอนาล็อก แต่ทัศนศึกษาสัญญาณขนาดใหญ่เปลี่ยนสภาพการใช้งานอุปกรณ์ที่มีผลในการบิดเบือนไม่เชิงเส้นและการทัศนศึกษาเล็กสัญญาณเป็นอ่านไม่ออกเนื่องจากเสียงอุปกรณ์พื้นฐาน แต่น่าเสียดายที่ในการใช้เทคโนโลยีขั้นสูงช่วงเชิงเส้นจะลดลงอย่างรวดเร็วเนื่องจากข้อ จำกัด ของแรงดันไฟฟ้าว่าคุณลักษณะของอุปกรณ์ที่ดีสามารถทนต่อ ในขณะเดียวกันการเพิ่มอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวน (SNR) พื้นฐานต้องมีการเพิ่มขึ้นของกำลังสองอยู่ในอำนาจ ดังนั้นการเลือกการให้น้ำหนักของอุปกรณ์และวงจรโครงสร้างจะต้องดำเนินการคำนวณแบบอะนาล็อกได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ยังเป็นจำนวนมาก biosignals ที่น่าสนใจที่มีความถี่ต่ำวงจรเป็นอย่างสูงที่ไวต่อการ 1 / F และอุปกรณ์ข้าวโพดคั่วเสียง เทคนิคเช่นการรักษาเสถียรภาพและการสุ่มตัวอย่างสับคู่มีความสัมพันธ์ (41) ซึ่งจะใช้ในการยกเลิกการชดเชยพารามิเตอร์อุปกรณ์ยังช่วยในการจัดการเหล่านี้ (42). ตเกณฑ์พฤติกรรม operation.The transconductance ของ MOSFET เป็นที่แรงดันไฟฟ้าอินพุต VGS สร้างกระแสเอาท์พุท, ID, มีความสำคัญต่อวงจรแบบอะนาล็อก แรงดันเกณฑ์, VT, หลวมแยกทั้งสองระบอบการปกครองของ VGS ที่รหัสสำหรับ NMOS มอบให้โดยสมการที่ 2 และ 3 (43) ตามลำดับ: