醫療技術是社會和技術趨勢的核心，推動可穿戴傳感器的使用，這些傳感器能夠利用本地和遠程智能，提供更有效、個性化的治療。因此，對傳感器質量和嵌入式處理能力的需求日益高漲，同時也需要通過集成來最小化體積和能源消耗。

推動這一轉變的最重要因素之一是老齡化。在許多國家，人口平均年齡在上升，導致糖尿病、高血壓和慢性阻塞性肺病（COPD）等慢性疾病的增加。這些疾病通常需要持續監測和長期管理。

可穿戴傳感器可以早期發現需要醫療專業人員治療的健康變化。它們還能提供個性化信息，幫助人們更好地管理自身疾病。

為此，可穿戴設備利用機器學習和人工智能（AI）等技術，識別來自不同傳感器組合的模式。

集成到單一ASIC中

由于這些設備越來越依賴各種嵌入式傳感器，將所有處理電路集成到專用集成電路（ASIC）中可以帶來顯著回報。通過專門圍繞傳感器接口和信號鏈設計芯片，工程師可以在噪聲性能、功耗和體積上實現提升。

在可穿戴、植入式和一次性醫療設備中，空間有限，電力預算緊張，且合規要求性能可預測。將多個不同的傳感信道集成到單一ASIC中解決了這些挑戰，實現緊湊設計，同時不犧牲信號質量或系統穩健性。然而，整合本身也存在復雜性。

每種傳感器都需要根據其具體需求進行前端微調。還需要在混合信號ASIC設計方面具備深厚專業知識，以確保這些傳感器協同工作且不受干擾。

溫度傳感器

溫度感應在醫療設備中既是主要的，也是輔助的。單靠監測體溫可以用來追蹤發燒、檢測炎癥或監測愈合過程。不過，它也常被用來幫助補償其他類型傳感器輸入中的漂移。

溫度傳感器可以通過帶隙參考、二極管結或其他熱感測結構直接嵌入ASIC中。將傳感器集成到硅片中，確保與其他傳感模塊的緊密耦合。此外，它還能降低延遲和功耗，這在電池續航和熱穩定性至關重要的可穿戴或植入設備中尤為理想。

在35至45°C范圍內，通過設計良好的電路和簡單的生產校準技術，絕對溫度精度可達低于±0.1°C。

光學傳感器

光學傳感有多種形式，包括光電容描記法（PPG）、脈搏血氧儀（SpO2）以及基于熒光或吸收度的化學檢測。在大多數智能手表和其他“健康”類可穿戴設備中，光學感應涉及將光線（通常是紅光或紅外光譜）照射到身體內，測量反射或透射的光量。

例如，PPG傳感器通過檢測組織中的血容量變化，以推斷心率、血氧水平或血壓。基于熒光的光學傳感器檢測生物標志物，包括代謝物和病原體。

隨著醫療級設備越來越多地采用這類傳感器，模擬前端（AFE）和數字信號處理（DSP）的技術需求也在不斷上升。準確檢測血流或組織組成的變化依賴于嚴格控制的光發射和精確的光檢測。

可穿戴傳感器廣泛用于呼吸頻率監測，因為人體組織的電阻會隨著吸氣和呼氣而略有變化。

為了支持光學傳感，ASIC需要高效LED驅動單元、精準的時序控制邏輯和高動態范圍的光電二極管接口——并輔以環境光抑制技術。多波長傳感推動了對可編程電流和精確時序邏輯的先進LED驅動陣列的需求，以實現復用作。

這種集成使同步采樣和調制方案成為可能，這對于將信號與背景噪聲分離至關重要，尤其是在易運動環境中。能效依然至關重要，因此架構依賴于工作周期LED驅動、低漏電偏置和動態擴展。

心電圖與生物勢能傳感器

心電圖（ECG）仍然是心臟監測的基石，無論是在醫院環境中還是日益重要的門診設備中。捕捉心電圖信號需要測量全身極微小的電壓差——通常小于1毫伏——通常伴隨著顯著的共模噪聲。

生物勢感應ASIC必須提供高輸入阻抗、優異的共模抑制和低噪聲性能。相同的模擬設計原理適用于肌電圖（用于肌肉監測）和腦電圖（用于測量腦活動），并調整了頻率響應和增益配置。

生物阻抗與呼吸監測

生物阻抗傳感器測量身體組織的電阻，電阻會根據水分、肌肉張力或呼吸狀態而變化。其中一個關鍵應用是呼吸頻率監測，因為胸部阻抗隨吸氣和呼氣略有變化。

為生物阻抗設計的ASIC需要包含可編程電流驅動器、解調模塊和精確的I/Q采樣路徑。部分架構支持頻率掃描以實現更高級的阻抗光譜，從而實現組織表征或液體積累檢測。

電化學感測

電化學傳感器也日益重要。這些傳感器用于翻譯當葡萄糖或乳酸等物質與電極表面相互作用時發生的化學反應。它們廣泛用于連續血糖監測、乳酸檢測以及用于COVID-19和HIV檢測的側流診斷。

前端電路可以通過多種方式檢測和放大電化學傳感器的信號。安培傳感測量恒壓下的電流。伏安測量掃描電壓信號并觀察電流響應。比分傳感比較成對電極的輸出——其中一個作為參考——以提高可靠性和校準。

電化學傳感器有潛力快速檢測冠狀病毒感染。

每種信號分析形式都需要AFE設計中的特定特征。但它們都面臨相同的挑戰：最小化噪聲、實現低電流檢測，以及產生準確且可編程的偏置電壓。在醫療應用中，即使是微小的信號干擾也可能產生影響。

電化學傳感還凸顯了一個更廣泛的工程挑戰：從固有噪聲環境中提取可靠數據。電極-電解質界面的低電流容易被熱噪聲、散射噪聲和離子漂移所掩蓋。環境干擾，從50/60赫茲市電到無線電信號的影響，都可能進一步損害信號完整性。

當模擬集成電路逐個放置在電路板上時，這些問題會被放大。較長的互連線路增加了寄生電容和對輻射或導傳噪聲的敏感性。

混合信號集成電路將信號與噪聲分離

將模擬信號鏈集成到ASIC中不僅僅是為了節省空間。它還支持從高低心率檢測到血氧和睡眠質量問題等各種更高精度監測器。集成縮短了互連長度，并提供了更強的外部噪聲屏蔽。更短的信號路徑也有助于更好地匹配偏置電壓。

但噪聲也會從ASIC內部發出。數字邏輯模塊的開關噪聲和基板耦合可能會滲入ASIC的模擬端。此外，模擬電路由于電化學及其他生物醫學傳感器的低電流，可能會產生噪聲。

熱噪聲和閃爍噪聲——也稱為1/f噪聲——在用于電流鏡和放大器的晶體管中產生。在超低電流水平下，必須考慮模擬轉數字轉換器（ADC）階段的噪聲。

為了減輕這些影響，ASIC設計者采用多種技術。斬波穩定電路和自動歸零放大器有助于抑制閃爍噪聲，實現穩定的低偏移作。有時，比例測量或雙電極測量不僅用于校準，還用于抵消相關噪聲。

布局同樣關鍵，以確保ASIC不同部分之間的良好隔離，并減少數字處理的干擾。平面規劃同樣起著關鍵作用，因為短電流感應路徑結合屏蔽互連可減少寄生效應。數字和模擬域之間的深度n阱隔離防止了噪聲數字切換與敏感信號路徑的接觸。

雖然不同傳感器需要針對各崗位的AFE，但也有機會共享功能。例如，將生物阻抗集成到ASIC中還允許與心電圖通道共享電路：這些傳感器使用類似的電極配置和前端需求。其他系統層面的考慮因素包括每個傳感器子系統的功率管理，因為每個子系統有不同的工作周期要求，影響整體功率使用。

此外，這些ASIC還可以設計成與無線SoC（如藍牙低功耗模塊或近場通信（NFC）模塊協同工作。通過解耦通信和傳感，集成電路可以在不同連接需求的產品線間重復使用。

此外，標準化傳感器ASIC與無線SoC之間的接口，使工程師能夠在不重新設計傳感器硬件的情況下交換無線芯片。這種模塊化對于長生命周期或大批量產品非常有價值，并且支持第二來源的靈活性。

ASIC緊跟不斷增長的醫療市場脈搏

混合信號集成電路是從可穿戴設備到醫療級護理現場設備的骨干。單芯片能夠與多種傳感器接口，使工程師對功耗、性能和產品差異化有更多控制。結果不僅是信號質量更好的和更低功耗，還帶來了通過共享硅片平臺滿足臨床和消費者多樣化需求的靈活性。