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Un AFE per applicazioni medicali

Dalla rivista:
Elettronica Oggi

 
Pubblicato il 11 novembre 2010

Texas Instruments ha presentato l’ADS1298, il primo front end analogico (AFE) completamente integrato per il mercato dei dispositivi medici. Si tratta di un componente con 8 canali a 24 bit con un’efficienza energetica di 1 mW/canale che riduce drasticamente il numero di elementi necessari rispetto a design discreti, ma abbassa anche i consumi fino a 95% rispetto alle consuete implementazioni.

Di fatto l’ADS1298 integra tutte le funzionalità necessarie per la realizzazione di front end per ECG (elettrocardiogrammi) ed EEG (elettroencefalogrammi) assicurando le performance necessarie in questo mercato.

Le esigenze del mercato
Quello dei dispositivi legati alla salute è un segmento con delle stime di crescita molto rilevanti per il futuro, soprattutto per mercati come per esempio quello cinese e indiano. Per avere un’idea delle dimensioni, il mercato dei semiconduttori per il settore medico, sensori inclusi, è stato valutato per il 2009 in 2,45 miliardi di dollari.

I dispositivi per questo segmento ovviamente devono avere una serie di caratteristiche ben precise, per esempio un basso rumore per garantire l’accuratezza delle misurazioni. Molto importanti, in prospettiva, sono anche aspetti come la riduzione delle dimensioni e dei costi, anche perché il trend principale che si evidenzia è quello del passaggio verso dispositivi di tipo portatile per monitorare le condizioni di salute.

Il diagramma a blocchi dell’ADS1298 con le numerose sezioni integrate

In sostanza, il modello che si prospetta in futuro prevede il passaggio da un sistema attuale definibile come “non confortevole”, che richiede per esempio il dover andare nello studio dello specialista per il controllo di alcuni parametri legati alla salute, a un modello “confortevole”, in cui i dati necessari sono invece rilevati da dispositivi portatili e trasmessi allo specialista per il controllo o la diagnosi. Di fatto si tratterà di dispositivi che potranno essere facilmente indossati o anche collegati, per esempio, a una sedia a rotelle.

Questo tipo di passaggio comporta il dover ripensare completamente al design dei dispositivi da utilizzare, che devono essere a alimentati a batterie e quindi avere consumi molto bassi, pesi e ingombri contenuti, ma senza rinunciare alla precisione dei rilevamenti dei vari parametri. Uno degli elementi fondamentali, infatti, resta la precisione della parte analogica. Su questo tipo approccio ha lavorato TI per la realizzazione dell’ ADS1298.

Le caratteristiche tecniche
Le funzionalità integrate nell’ ADS1298 prevedono principalmente la presenza di otto convertitori delta-sigma a basso rumore, a cui si affiancano otto amplificatori a guadagno programmabile, sempre a basso rumore, componenti che quindi eliminano la necessità di amplificatori esterni.

Il valore di rumore tipico riferito all’ingresso dell’ADS1298 è di 4 uVpp, il che permette di superare le soglie previste dalla normativa CE/IEC 60601-1, e assicura delle misurazioni accurate nei dispositivi portatili e nelle apparecchiature ECG ed EEG ad alta densità di canali per il segmento high-end.

Il package del TPS6302 misura 3x4x1 mm

 

Le funzionalità integrate prevedono inoltre il rilevamento lead-off continuo, un sensore di temperatura, un oscillatore e i segnali di test. Sono presenti anche amplificatori integrati per terminali WCT (Wilson Center Terminal) e GCT (Goldberger Terminal). C’è anche una specifica funzionalità molto importante per prevenire l’uso di defibrillatori su paziente portatori di pace maker (si tratta di un sistema di rilevamento digitale per questo tipo di componenti). L’amplificatore per il right-leg drive integrato serve ancora per gli elettrocardiogrammi. Una ulteriore caratteristica del design dell’ADS1298 risiede nella scalabilità. Sono previste, infatti anche versioni dotate di 4 e 6 canali, compatibili con quella a 8 canali, elemento che semplificherà la progettazione dei dispositivi offendo opportunità di migrazione come di modifica della risoluzione e combinazione dei canali per le applicazioni medicali a basso rumore.

Sul versante dell’implementazione, i front-end analogici a basso consumo di TI sono completati dalla famiglia di DSP TMS320C5505 che offrono un consumo inferiore a 0,15 mW/MHz, in modo da ottimizzare la durata delle batterie nel caso di applicazioni su device portatili.

Per quanto riguarda lo sviluppo TI offre anche la scheda di valutazione siglata ADS1298 EVM. È possibile, inoltre, utilizzare l’ECG Medical Development Kit di Texas Instruments basato sul DSP C5505 che mette a disposizione una soluzione completa di software per ridurre i tempi di sviluppo delle applicazioni portatili a basso consumo per il monitoraggio dei pazienti.

L’ADS1298 è già disponibile e viene fornito in package PQFP e BGA a 64 pin, mentre per il prezzo, le cifre indicate da TI sono di 23,95 dollari per lotti di 1.000 unità.

Il TPS63020
In concomitanza con l’annuncio dell’ADS1298, Texas Instruments ha presentato anche il TPS63020, in pratica il convertitore buck boost più piccolo del settore.

Si tratta di un integrato per il power management utilizzabile per incrementare l’autonomia di device come telefoni cellulari, sistemi medicali portatili, e, in generale, dei dispositivi dotati di alimentazione a batteria.

Grafico dell’efficienza del TPS63020 a 3,3 V

Di fatto gli attuali trend collegati all’alimentazione di dispositivi portatili vedono necessità di alimentazione sempre più complesse, per esempio con maggiori potenze rese necessarie dall’impiego di funzionalità wireless, ma anche la disponibilità nei microprocessori di modalità operative a basso consumo. Un altro trend, invece, vede l’incremento della densità di energia nelle batterie, ma occorre fare i conti anche la riduzione di dimensioni dei dispositivi.

Il TPS63020 offre una efficienza di picco del 96% con una riduzione di spazio del 60% rispetto a prodotti analoghi. Questo buck boost funziona, inoltre, con una ampia gamma di tensioni che vanno da 1,8 V a 5,5 V (il Vout va da 1,2 a 5,5 V). Il convertitore TPS63020 da 2,4 MHz a induttore singolo viene fornito in un package che misura 3x4x1 mm, il che permette di realizzare una soluzione di conversione DC/DC completa in non più di 100 mm2.
 

Francesco Ferrari

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