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1、第三章 微型化与低功耗设计技术,传统医学仪器的便携式设计已成为现代医学仪器发展的重要趋势。 微型化和低功耗设计是核心技术。 相关技术的发展为其提供了有力的支持。,第一节 概 述,电子元器件集成度越来越高,摩尔定律:集成电路芯片的集成度每1.5年提高2倍。 数字、模拟混合集成技术的发展,单片计算机已在增强CPU功能的基础上,将许多复杂的外围器件功能集于一身。,电子元器件封装工艺的不断革新,表面安装技术(SMT)取代穿孔式安装(THT)。 表面安装元件(SMC)。 表面安装器件(SMD)。,ASIC技术的发展,现场可编程逻辑器件(FPLD)。 PAL(可编程阵列逻辑)和GAL(通用阵列逻辑)。 F
2、PGA(现场可编程门阵列)和CPLD(复杂可编程逻辑器件) 。,新兴技术的影响,硅微加工技术 在硅材料上进行微米级水平的三维加工技术,包含模拟、数字电路和执行装置的微机电系统(MEMS)。 可用于人体姿态监测的加速度传感器,在3mmX3mm的芯片上加工出机械结构,同时还有放大、信号处理和自校正电路。,纳米技术 在10-9m的尺度内对原子、分子加工的技术。 “纳米世界”表现出既不同于单个原子、分子,也不同于我们所熟悉的大物质的性质。 美国波士顿大学研制成功的分子马达仅由78个原子组成,若能配上相应尺度的“刀具”和控制装置,可实现对大分子的加工。,第二节 便携式医学仪器设计的基本特点,单片机的多功
3、能发展,集成了越来越多的外围电路的功能。A/D、D/A(PWM)、LCD驱动、RAM、ROM(EPROM、FLASH)等。 通讯一般采用线数最少的串行方式,低速用RS-232,高速用USB,近距离无线通讯采用红外通讯(IrDA)和宽带无线技术。 一般不配打印机,显示器大多采用低功耗的段式或点阵图形液晶显示器。,1. 系统设计高度集约化,2. 选用合适的供电电压和运行速度,C为电路中的分布电容和开关型IC器件的极间电容;V为供电电压;f为工作频率。,3. 电路设计全面采用CMOS集成电路,除个别特殊的功率驱动电路外,尽可能采用CMOS电路。 CMOS电路的优点 微功耗(静态功耗几乎为0) 输出逻
4、辑电平摆幅大,工作电压范围宽,抗干扰能力强 工作温度范围较宽。 HCMOS电路速度已完全可以和TTL电路兼容。,4. 中央处理器参与低功耗管理,5. 全面采用表面安装器件,除个别特殊的大功率器件外,包括单片机在内的所有IC都有相应的SMT器件。 基础元器件(电阻、电容、电感、变压器、热敏电阻等)均有都有相应的SMT器件。 SMT器件与THT器件相比,尺寸大幅度减小。 电阻、电容体积仅有直插器件的1/10。 IC的引脚中心距已由1.27mm缩小到0.3mm。,第三节 微型化与低功耗设计,CMOS数字集成电路的静态功耗几乎为0。 如接法合适,可降低到uA级,1. CMOS集成电路与低功耗设计,发生
5、在逻辑状态转换的瞬间,由两个分量构成。 跳变时两个场效应管同时导通所引起的尖峰电流。与转换时间有关。 逻辑门节点电容的充电电流。等于面积与重复频率的乘积。,CMOS数字集成电路的动态功耗,R是能耗状态转换动作几率,指一个周期内做能耗状态所用时间与时钟周期之比。与电路结构、逻辑功能、输入数据的状态组合及初始状态均有关系换时间有关。 C是负载电容,CMOS数字集成电路动态功耗的低功耗设计,降低动态功耗的主要途径,降低工作电压 减少负载电容 降低工作频率 降低耗能状态转换活动几率,CMOS数字集成电路应用注意事项,未用引脚的处理。 如悬空将引起 功耗增加 严重时会损坏器件 不能悬空!,输入信号幅度
6、应保持在供电电压范围之内,否则可能损坏电路 输出能力,CMOS电路驱动能力表,2. 单片机的低功耗设计,C为输入电容和连线电容的总和,典型输入电容为10pF。,时钟频率,高速内核,外围电路的集成化 内部程序存储器 内部数据存储器,时钟源管理,片内环形振荡器可降低功耗 改善停机模式 空闲模式 突发工作模式,3. 存储器的低功耗设计,HCMOS存储器,存储器功耗表,维持工作方式 EPROM维持工作方式 RAM和EEPROM的维持工作方式 FLASH维持工作方式 AMD的Am29L400B,通过软件设置,可使其在非读写擦除状态时处于休眠维持状态,读电流7mA,编程/擦除电流15mA,休眠电流200n
7、A。,FLASH应用设计实例,Intel公司的DA28F320J5是32Mbit闪速存储器。 支持14种操作指令,每项操作均要通过相应的命令实现,4. 电源的低功耗设计,电源的分类 线性稳压电源。低压差(LDO)的新型线性稳压器,一般输出100mA时,压差1A时。电压反转式可以获得负压。 电荷泵电源。输出是输入的负压或两倍的输入电压。,早期的电荷泵变换器是以ICL7600为基础,其缺点是:输出电流小、输出电阻大、振荡频率低、外接电容容量大、静态电流大(170uA)。 新型产品如MAX1673的静态电流仅为35uA,MAX662A在关闭状态时耗电1uA。,便携式仪器的电源设计,输出电流大时应采用
8、降压DC/DC 输出电流小时应采用升压DC/DC 工作电流的最大值为IC最大输出电流的70%90%较为合适。 采用LDO的最佳条件 要求输出电压纹波、噪声特别小 输入输出电压差不大 输出电流不大于100mA,需负电源时尽量采用电荷泵 要求噪声小或输出稳压时,可采用带LDO线性稳压的电荷泵IC。 如MAX1680输出电流125mA,仅需外接两个1uF电容,输出阻抗3.5。 MAX868,输出电压可调,外接两个0.1uF电容,消耗35uA电源电流,可输出30mA稳压电流,小尺寸uMax封装。,DC/DC变换器中电感、电容及续流二极管的选择 电感要满足在开关电流峰值时不饱和(开关峰值电流要大于输出电
9、流的34倍),并要选择合适的磁芯以满足开关频率的要求。 电容应选择等效串联电阻小、相应速度快的胆电容,可降低输出纹波电压 二极管必须采用肖特基二极管,其额定值应大于DC/DC的峰值电流。,5. 液晶显示技术,液晶是一种介于固体与液体之间,具有规则性分子排列的有机化合物。 在不同电流电场作用下,液晶分子会做规则的旋转90度排列,产生透光度的差别。,液晶显示方式,被动方式(反射式):本身不发光而只是调制环境光,因此,显示时需要一定的光源。 主动方式:由场效应管驱动,反射式液晶的工作特点,工作电压低(36V);功耗极小(1880uW/平方厘米)。 体积小,为平板式显示。 显示时间和余辉时间较长,速度
10、较慢。 在黑暗环境中不能显示,需采用辅助光源。 无电磁辐射。,液晶分类,根据显示材料构造,可分为TN、STN、TFT。 根据技术原理可分为TN、STN、FSTN、DSTN、TFT。 TN:扭曲向列型。 STN:超扭曲向列型。 FSTN:薄层超扭曲向列型。 DSTN:双超扭曲向列型。 TFT:薄片式晶体管型。,液晶显示模块,将液晶显示器件、连接件、集成电路、PCB电路板、背光源、结构件装配在一起的组件。 可分为数显液晶模块、液晶点阵字符模块和液晶点阵图形模块。,数显液晶模块,记数模块 计量模块 计时模块,点阵图形液晶模块,行、列驱动型 直接驱动型 行、列控制型,点阵图形液晶应用设计实例,EG75
11、64C_RS是一种高性能反射式320X200黑白点阵液晶,具有体积小、分辨率高、超低功耗(1mA)等特点,并且是3.3V单电源供电,共有18个引脚。,6. 表面安装技术,SMT的主要优点: PCB无需钻孔,与THT比较,组装速度快,组装密度提高50%(采用双面和多层板可大幅度缩小)。 是片式结构,无外引线,缩短了信号传输延迟时间,有利于提高电路的高频性能。 耐振动,可靠性高。 易于实现组装自动化,降低加工成本。,THT与SMT特征尺寸的比较,7. 电路集成设计,可编程逻辑器件(PLD)。 PAL(可编程阵列逻辑)和GAL(通用阵列逻辑)。 FPGA(现场可编程门阵列)和CPLD(复杂可编程逻辑
12、器件) 。,可编程逻辑器件(PLD),由一个“与”门和一个“或”门阵列组成。 任何一个组合逻辑都可以用“与或”表达式描述。能完成各种数字逻辑功能 能完成各种数字逻辑功能。,PAL(可编程阵列逻辑),由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面组成。 或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。 现场可编程,实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术。,GAL(通用阵列逻辑),在PAL的基础上发展起来。 输出结构是可编程的宏单元。 现场可编程,实现了电可擦除和改写。,FPGA(现场可编程门阵列)和CPLD(复杂可编程逻辑器件),在PAL、GAL的基础上发展起来。 可以代替几十甚至几千块通用IC芯片。 比较典型的是Xilinx公司的FPGA器件系列和Altera公司的CPLD器件系列。,FPGA和CPLD的优点,其基本逻辑门数可大上百万门。 出厂前已做过百分之百的测试,不需设计人员承担投片风险和费用。 用户可反复编程、擦除、使用。 在外围电路不动的情况下用不同软件实现不同功能。,便携式医学仪器设计实例,设计目的,专为快速诊断、监护的心电图机。 集主机、显示器、电极导联于一体,体积仅如手掌般大小。 超低功耗,无需外接电源。 只要将仪器背面与人体胸部接触,便可立即自动显示ECG。,