医疗技术是社会和技术趋势的核心，推动可穿戴 传感器的使用，这些传感器能够利用本地和远程智能，提供更有效、个性化的治疗。因此，对传感器质量和嵌入式处理能力的需求日益高涨，同时也需要通过集成来最小化体积和能源消耗。
推动这一转变的最重要因素之一是老龄化。在许多国家，人口平均年龄在上升，导致糖尿病、高血压和慢性阻塞性肺病（COPD）等慢性疾病的增加。这些疾病通常需要持续监测和长期管理。
可穿戴传感器可以早期发现需要医疗专业人员治疗的健康变化。它们还能提供个性化信息，帮助人们更好地管理自身疾病。
为此，可穿戴设备利用机器学习和人工智能（AI）等技术，识别来自不同传感器组合的模式。
集成到单一ASIC中
由于这些设备越来越依赖各种嵌入式传感器，将所有处理电路集成到专用集成电路（ASIC）中可以带来显著回报。通过专门围绕传感器接口和信号链设计芯片，工程师可以在噪声性能、功耗和体积上实现提升。
在可穿戴、植入式和一次性医疗设备中，空间有限，电力预算紧张，且合规要求性能可预测。将多个不同的传感信道集成到单一ASIC中解决了这些挑战，实现紧凑设计，同时不牺牲信号质量或系统稳健性。然而，整合本身也存在复杂性。
每种传感器都需要根据其具体需求进行前端微调。还需要在混合信号ASIC设计方面具备深厚专业知识，以确保这些传感器协同工作且不受干扰。
温度传感器
温度感应在医疗设备中既是主要的，也是辅助的。单靠监测体温可以用来追踪发烧、检测炎症或监测愈合过程。不过，它也常被用来帮助补偿其他类型传感器输入中的漂移。
温度传感器可以通过带隙参考、二极管结或其他热感测结构直接嵌入ASIC中。将传感器集成到硅片中，确保与其他传感模块的紧密耦合。此外，它还能降低延迟和功耗，这在电池续航和热稳定性至关重要的可穿戴或植入设备中尤为理想。
在35至45°C范围内，通过设计良好的电路和简单的生产校准技术，绝对温度精度可达低于±0.1°C。
光学传感器
光学传感有多种形式，包括光电容描记法（PPG）、脉搏血氧仪（SpO2）以及基于荧光或吸收度的化学检测。在大多数智能手表和其他“健康”类可穿戴设备中，光学感应涉及将光线（通常是红光或红外光谱）照射到身体内，测量反射或透射的光量。
例如，PPG传感器通过检测组织中的血容量变化，以推断心率、血氧水平或血压。基于荧光的光学传感器检测生物标志物，包括代谢物和病原体。
随着医疗级设备越来越多地采用这类传感器，模拟前端（AFE）和数字信号处理（DSP）的技术需求也在不断上升。准确检测血流或组织组成的变化依赖于严格控制的光发射和精确的光检测。
可穿戴传感器广泛用于呼吸频率监测，因为人体组织的电阻会随着吸气和呼气而略有变化。为了支持光学传感，ASIC需要高效LED驱动单元、精准的时序控制逻辑和高动态范围的光电二极管接口——并辅以环境光抑制技术。多波长传感推动了对可编程电流和精确时序逻辑的先进LED驱动阵列的需求，以实现复用作。
这种集成使同步采样和调制方案成为可能，这对于将信号与背景噪声分离至关重要，尤其是在易运动环境中。能效依然至关重要，因此架构依赖于工作周期LED驱动、低漏电偏置和动态扩展。
心电图与生物势能传感器
心电图（ECG）仍然是心脏监测的基石，无论是在医院环境中还是日益重要的门诊设备中。捕捉心电图信号需要测量全身极微小的电压差——通常小于1毫伏——通常伴随着显著的共模噪声。
生物势感应ASIC必须提供高输入阻抗、优异的共模抑制和低噪声性能。相同的模拟设计原理适用于肌电图（用于肌肉监测）和脑电图（用于测量脑活动），并调整了频率响应和增益配置。
生物阻抗与呼吸监测
生物阻抗传感器测量身体组织的电阻，电阻会根据水分、肌肉张力或呼吸状态而变化。其中一个关键应用是呼吸频率监测，因为胸部阻抗随吸气和呼气略有变化。
为生物阻抗设计的ASIC需要包含可编程电流驱动器、解调模块和精确的I/Q采样路径。部分架构支持频率扫描以实现更高级的阻抗光谱，从而实现组织表征或液体积累检测。
电化学感测
电化学传感器也日益重要。这些传感器用于翻译当葡萄糖或乳酸等物质与电极表面相互作用时发生的化学反应。它们广泛用于连续血糖监测、乳酸检测以及用于COVID-19和HIV检测的侧流诊断。
前端电路可以通过多种方式检测和放大电化学传感器的信号。安培传感测量恒压下的电流。伏安测量扫描电压信号并观察电流响应。比分传感比较成对电极的输出——其中一个作为参考——以提高可靠性和校准。
电化学传感器有潜力快速检测冠状病毒感染。每种信号分析形式都需要AFE设计中的特定特征。但它们都面临相同的挑战：最小化噪声、实现低电流检测，以及产生准确且可编程的偏置电压。在医疗应用中，即使是微小的信号干扰也可能产生影响。
电化学传感还凸显了一个更广泛的工程挑战：从固有噪声环境中提取可靠数据。电极-电解质界面的低电流容易被热噪声、散射噪声和离子漂移所掩盖。环境干扰，从50/60赫兹市电到无线电信号的影响，都可能进一步损害信号完整性。
当模拟集成电路逐个放置在电路板上时，这些问题会被放大。较长的互连线路增加了寄生电容和对辐射或导传噪声的敏感性。
混合信号集成电路将信号与噪声分离
将模拟信号链集成到ASIC中不仅仅是为了节省空间。它还支持从高低心率检测到血氧和睡眠质量问题等各种更高精度监测器。集成缩短了互连长度，并提供了更强的外部噪声屏蔽。更短的信号路径也有助于更好地匹配偏置电压。
但噪声也会从ASIC内部发出。数字逻辑模块的开关噪声和基板耦合可能会渗入ASIC的模拟端。此外，模拟电路由于电化学及其他生物医学传感器的低电流，可能会产生噪声。
热噪声和闪烁噪声——也称为1/f噪声——在用于电流镜和放大器的晶体管中产生。在超低电流水平下，必须考虑模拟转数字转换器（ADC）阶段的噪声。
为了减轻这些影响，ASIC设计者采用多种技术。斩波稳定电路和自动归零放大器有助于抑制闪烁噪声，实现稳定的低偏移作。有时，比例测量或双电极测量不仅用于校准，还用于抵消相关噪声。
布局同样关键，以确保ASIC不同部分之间的良好隔离，并减少数字处理的干扰。平面规划同样起着关键作用，因为短电流感应路径结合屏蔽互连可减少寄生效应。数字和模拟域之间的深度n阱隔离防止了噪声数字切换与敏感信号路径的接触。
虽然不同传感器需要针对各岗位的AFE，但也有机会共享功能。例如，将生物阻抗集成到ASIC中还允许与心电图通道共享电路：这些传感器使用类似的电极配置和前端需求。其他系统层面的考虑因素包括每个传感器子系统的功率管理，因为每个子系统有不同的工作周期要求，影响整体功率使用。
此外，这些ASIC还可以设计成与无线SoC（如蓝牙低功耗模块或近场通信（NFC）模块协同工作。通过解耦通信和传感，集成电路可以在不同连接需求的产品线间重复使用。
此外，标准化传感器ASIC与无线SoC之间的接口，使工程师能够在不重新设计传感器硬件的情况下交换无线芯片。这种模块化对于长生命周期或大批量产品非常有价值，并且支持第二来源的灵活性。
ASIC紧跟不断增长的医疗市场脉搏
混合信号集成电路是从可穿戴设备到医疗级护理现场设备的骨干。单芯片能够与多种传感器接口，使工程师对功耗、性能和产品差异化有更多控制。结果不仅是信号质量更好的和更低功耗，还带来了通过共享硅片平台满足临床和消费者多样化需求的灵活性。
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