Управление компромиссами при проектировании ASIC для носимых медицинских устройств

Многие имеющиеся в продаже АЦП высокого разрешения используют сигма-дельта-архитектуру. В этой архитектуре секция цифрового фильтра меняет частоту дискретизации на разрешение относительно простого аналогового входного каскада, подход к проектированию, который обеспечивает высокую точность и динамический диапазон при относительно низких затратах в современных полупроводниковых процессах. Широкий динамический диапазон может помочь справиться с помехами в медицинских устройствах, где к интересующему сигналу часто примешивается значительный шум.

Цифровая обработка захваченных сигналов относительно мощным процессором может отфильтровать большую часть шума и помех из того, что может представлять собой относительно небольшой сигнал, представляющий интерес. К сожалению, такое сочетание стратегий приводит к властолюбивой системе. Значительные затраты энергии требуются не только для передискретизации и фильтрации, выполняемых DSP, но и для обширной цифровой постобработки, необходимой на главном микроконтроллере, который, возможно, должен быть активен для каждого захвата.

Эта проблема может усугубляться высокой задержкой сигма-дельта-преобразователей, когда прореживающие фильтры масштабируются для достижения высокого разрешения. Время, необходимое для получения каждого блока выборок с начала последовательности захвата, может привести к увеличению коэффициента заполнения главного микроконтроллера/системы.

Более энергоэффективное решение — сосредоточиться на устранении помех ближе к источнику и использовать схему смешанных сигналов для борьбы с распространенными источниками шума, чтобы более чистый и более низкий сигнал можно было передать на главный микроконтроллер. В конструкции этого типа часто используется специальный DSP на ASIC для выполнения цифровой фильтрации передискретизированного сигнала с двумя целями. Устранив влияние сильных помех в источнике, можно уменьшить требования к динамическому диапазону для АЦП. Во-вторых, отфильтрованный сигнал может передаваться в микропроцессор с использованием более низкой частоты дискретизации, что снижает активность схемы и, следовательно, мощность.

Дополнительной экономии можно добиться за счет буферизации некоторых выходных выборок в памяти ASIC, пробуждения микроконтроллера через нечастые интервалы времени для их считывания и обработки. В пределе могут передаваться, регистрироваться или активироваться только определенные характеристики сигнала или события, такие как аномальное значение сердечного ритма, или активировать систему для дальнейших действий. Поскольку частота выходных выборок теперь низкая, дополнительную экономию энергии можно также получить, сохраняя выходные выборки в памяти на ASIC и очень редко пробуждая микроконтроллер для их считывания.

При меньшей потребности в широком динамическом диапазоне полученная ASIC, в свою очередь, может использовать гораздо менее энергоемкую архитектуру преобразования. Это все еще может быть сигма-дельта-преобразователь, но в нем используется более простой каскад прореживающего фильтра с меньшей задержкой. Такая конструкция имеет более короткие затраты на запуск, что позволяет ускорить циклы включения и выключения или мультиплексировать входные каналы.

Другим вариантом является конструкция последовательного приближения (SAR), поскольку эта архитектура в целом обеспечивает высокую энергоэффективность. Для медленно меняющихся входных сигналов схема интегрирования заряда может предложить наилучшее сочетание энергопотребления, разрешения и скорости захвата.

Компромисс 3: функциональность или форм-фактор?

Важной характеристикой интерфейсных ASIC является то, что они могут быть очень эффективными. Размер кремния обычно составляет менее 3 x 3 мм, что делает устройства очень подходящими для небольших корпусов носимых медицинских устройств.

Однако использование корпусов размером с микросхему, которые в полной мере используют преимущества компактности ASIC, приведет к ограничению количества соединений ввода-вывода с устройства. Это противоречит тенденции создания большего количества входов датчиков в систему. Несколько входов позволяют исследовать большее количество участков кожи для получения более качественного сигнала. Умные носимые устройства для здравоохранения все чаще объединяют данные от различных датчиков для улучшения общих результатов и в то же время более эффективно справляются с шумом от отдельных входных сигналов.

Традиционный метод достижения баланса между размером микросхемы и увеличением количества соединений ввода-вывода заключается в переходе к корпусам, которые обеспечивают более высокую плотность шага, чем стандартный шаг 0,4 мм. Компромисс заключается в том, что это, вероятно, увеличит общую стоимость системы из-за изменений, которые потребуются в печатной плате и технологии сборки для обработки дорожек цепи с более мелким шагом. Другой вариант — повысить уровень мультиплексирования каналов ввода-вывода, особенно для подключений к внешнему микроконтроллеру.

Мультиплексирование последовательных портов обеспечивает эффективный способ сопоставления количества выводов с пропускной способностью данных. Существует гибкость в выборе протокола для использования. Если он может поддерживать требуемую скорость передачи данных устройства, использование двухпроводного I2C вместо четырехпроводного SPI освобождает два потенциально ценных контакта ввода-вывода.

Еще одним источником экономии количества выводов являются методы проектирования схем, позволяющие избежать необходимости использования внешних пассивных устройств, таких как конденсаторы и катушки индуктивности, для выполнения функций аналоговой обработки. Процессы смешанных сигналов, предлагаемые литейными предприятиями, позволяют формировать пассивные элементы в металлическом пакете межсоединений и могут обеспечить эффективный компромисс между размером кристалла и количеством выводов.

Стоит также отметить, что передовые методы упаковки также позволят освободить место на печатной плате и контакты ввода-вывода за счет встраивания аналогового интерфейса и датчиков в один корпус.

Компромисс 4: сокращение объема выпуска или затрат?

В идеальном мире большинство функций системы было бы сосредоточено в одном ASIC. Но есть несколько случаев, когда это будет экономически нецелесообразно.

То, какие функции интегрированы в ASIC, и узел процесса, который ASIC понадобится для их реализации, будет зависеть от огромного количества требований. Они включают уровни напряжения, доступность IP, поддержку энергонезависимой памяти, количество необходимых логических элементов и стоимость. Аналоговые интерфейсы и другие вспомогательные схемы часто демонстрируют лучшую экономичность на зрелых технологических узлах с транзисторами и другими интегрированными компонентами, которые не масштабируются, как логические транзисторы или транзисторы памяти.

Возможно, у вас не будет всего, что вы хотите, но хороший разработчик ASIC сможет сбалансировать компромиссы и просмотреть всю систему, чтобы найти для вас лучший вариант.

Хорошим примером компромиссного решения является пластырь для мониторинга уровня глюкозы. Устройству этого типа требуется аналоговый интерфейс, поддержка BLE для беспроводной связи, ядро ​​процессора и флэш-память. Если предположить, что целевой процесс составляет 55 нм, общая стоимость разработки ASIC может достичь нескольких миллионов долларов США. Это будет касаться не только проектирования и создания масок, используемых для производства на фабрике, но и лицензирования BLE и IP процессора.

Более экономичным способом реализации той же конструкции было бы использование аналоговой внешней ASIC, предназначенной для работы с различными стандартными процессорами с поддержкой BLE. Гибкость поддержки различных внешних процессоров позволит внести изменения в производство, если этого потребуют условия цепочки поставок.

Это потребует дублирования некоторых функций в ASIC, возможно, потребуя дополнительных интерфейсов ввода-вывода общего назначения и I2C или SPI, а также интерфейсов управления питанием. Это может увеличить размер ASIC и, следовательно, стоимость. Но можно добиться большей экономии. ASIC сможет использовать зрелый процесс с меньшими затратами на маску, например 130 нм. Кроме того, для лицензирования ASIC потребуется меньше IP, что снизит стоимость разработки. Но эта архитектура по-прежнему будет обеспечивать защиту цепочки поставок.

Поймите компромиссы для оптимизированного дизайна

Использование ASIC-подхода обеспечивает защиту от проблем в цепочке поставок и позволяет оптимизировать проект. Но всегда есть компромиссы, и их следует понимать, прежде чем идти по этому пути.

Константинос Гларос — главный разработчик аналоговых, RF и MS IC в компании EnSilica и работает во многих отраслях, включая маломощные медицинские и фитнес-устройства малого форм-фактора.

Связанное содержимое: