半導體技術的進步推動下一代醫療設備的發展

半導體技術推動下一代醫療設備變得更智能、更精確、連通性更好。什么半導體技術正為未來的醫療設備創造條件呢？飛思卡爾半導體公司的 David Niewolny 討論了對醫療設備設計影響最大的半導體技術演進。

　　醫療保健行業正在進行技術革命。全球人口老齡化加上不斷上升的醫療保健成本導致全世界的醫療保健基礎設施都處于緊張狀態。嬰兒潮那一代人現在已經成為高齡人群，這加劇了老年人口的增長。要應對這種急劇的人口結構轉變，健康衛生系統需要做出巨大改變。目前，這些變化包括只能通過先進的硬件和軟件技術才能實現的新治療手段和早期診斷工具，而這些先進的硬件和軟件技術長期以來由于醫療設備行業規避風險而沒有被使用。那么，什么技術正為未來的醫療設備創造條件呢？

　　
圖1：標準的醫療設備架構

　　圖1顯示了一個典型的醫療設備標準硬件架構。下面列出了推動醫療設備設計創新的芯片技術演進。

　　· 模擬信號調節

　　· 低功耗嵌入式控制

　　· 無線連接

　　芯片供應商提供這些戰略領域的重大技術進步，這是醫療設備客戶優化產品的必要條件。

　　醫療設備的重要而獨特的特征之一是能夠分析被有線或無線傳感器捕獲的非常微小的數據信號。運算放大器、高分辨率模數轉換器（ADC）、數模轉換器（DAC）、模擬比較器（ACMP）和電壓參考（VREF）等精密模擬組件不斷演進和發展，為提高下一代醫療設備的精確度創造了條件。

　　運算放大器用于放大和過濾信號，模擬比較器（ACMP）可以被配置為達到峰值時觸發一個中斷。下一階段需要精確定時的傳感器衰減輸出模數轉換器。設備設計人員應該尋找功能豐富、超低功耗、高于 16 位分辨率的模數轉換器（ADC）。提供高達 24 位分辨率的 ADC 可用于要求非常精準的測量。許多較新的 ADC 具有自動比較和靈活的轉換時間設置，是這類分析的理想選擇。最后，數據被發送到CPU（8 位或 32 位），用于分析數學部分。

　　雖然可以用模擬電路開啟或關閉芯片，但模擬功能的片上集成提供許多系統成本優勢。最明顯的優勢是，它減少了對外部 IC 的需求，從而節省了 BOM 和板卡空間。此外，片上模擬還具有低壓檢測和內部帶隙參考電壓，從而進一步降低了整體成本。

　　另一個方面就是降低功耗，半導體設計在這個方面每前進一步，都會對醫療保健行業產生重大影響。低功耗使原本被功耗束縛的設備變得可隨身攜帶，然后又將便攜式解決方案轉為無線傳感器。對于許多醫療設備來說，微控制器或微處理器是核心組件，即使不執行全部應用任務，也執行大多數應用任務。微控制器可能是降低設備功耗的主要貢獻者，因此，要實現電池壽命目標必須利用微控制器的功能。無論是束之高閣還是在待機模式或是正在進行測量，這些功能都會影響電池的使用壽命，從而決定了一個產品對最終客戶的價值。

　　半導體制造商正在采取措施，通過實施一些創新的設計技術來降低醫療設備的運行功率。首先是實施額外的運行模式。每種低功率模式都根據特定的功能級別而量身定制，以獲得最佳性能/功耗比。對于某些設備，運行模式支持 250 nA 的最低功耗，這使醫療應用能以最高的能效連續運行。運行模式還能使許多 MCU 外設以低功率運行模式工作，從而實現最佳的功能和功耗組合。

第二個設計技術是使用時鐘門控，可降低運行模式下的功耗。時鐘門控是一種關閉被路由到外設的時鐘信號的方法。雖然對一個外設進行時鐘門控最多僅降低幾十微安的功耗，但如果要盡最大可能達到最低功耗，減少一切不必要的內部跟蹤和時鐘信號都是非常必要的。當禁用所有外設時鐘時，時鐘門控測量可以在運行模式中降低近三分之一的功耗。