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Low-Power Mixed-Signal Schaltungen

Field Programmable Analog Arrays (FPAAs)

Rekonfigurierbare analoge Schaltungen oder "Field Programmable Analog Arrays" (FPAAs)  sind noch weit davon entfernt, eine ähnliche Flexibilität und Einstellbarkeit wie digitale "Field Programmable Gate Arrays" (FPGAs) zu bieten. Unsere Forschung auf dem Gebiet der FPAAs führt zu digital programmierbaren analogen Schaltungen, die eine Rekonfigurierbarkeit auf allen Ebenen erlauben - von der Filter-Architektur bis hin zu den grundsätzlichen analogen Eigenschaften. Mögliche Einsatzgebiete finden sich in den Schreib-Leseköpfen von Festplatten oder in der drahtlosen Kommunikation.

 

Medical Microelectronic Devices & Implantable Circuits (MMEDIC)

Mit fortschreitender Miniaturisierung der Halbleitertechnik und neuen Verfahren der Aufbau-, Verbindungs- und Gehäusetechnik hält die Mikrosystemtechnik zunehmend Einzug in die Biomedizintechnik. Letztere zeichnet sich im hohen Maße durch Innovationskraft und Interdisziplinarität aus. Basierend auf unserer 10-jährigen Expertise im Bereich Biomedizintechnik wurde im Januar 2013 die Gruppe Medical Microelectronic Devices & Implantable Circuits (MMEDIC) an der Fritz-Hüttinger-Professur für Mikroelektronik gegründet. Ziel ist es, Kompetenzen zu bündeln und Kooperationen mit anderen Gruppen und Lehrstühlen zu initiieren bzw. zu vertiefen.

neural signal processing chain

Abbildung 1: Neuronales Mess- und Stimulationssystem am Beispiel des Projektes BaroLoop.

Die Vielseitigkeit der Anforderungen an ein Projekt im Bereich der Biomedizintechnik lässt sich anhand des in Abbildung 1 gezeigten Beispiels eines neuronalen Mess- und Stimulationssystems leicht verdeutlichen. Zur Kontaktierung von Nerven werden Elektroden benötigt, deren Charakteristika wie beispielsweise Dimensionierung, Material und Impedanz für die Aufgabe Messen und/oder Stimulieren zu optimieren sind. Die erfassten Signale sind amplituden- und frequenzabhängig auf zu bereiten und zu digitalisieren, um mit Hilfe der extrahierten Informationen Entscheidungen zu treffen und Aktionen durch zu führen. Des Weiteren wird für die neuronale Anregung mittels hochenergetischer Pulse eine Stimulationsschaltung benötigt, welche jegliche, für das Gewebe schädliche Restladung kompensiert. Schließlich muss eine Energie- und Kommunikationsschnittstelle eine unterbrechungsfreie Versorgung aller Komponenten sowie eine Datenübertragung gewährleisten, im Fehlerfall jedoch eine Abschaltung garantieren. Für diese funktionalen Einheiten muss mittels Aufbau- und Verbindungstechnik ein stabiler Betrieb des Systems gewährleistet werden. Insbesondere die Gehäusetechnik nimmt dabei auf Grund von Gewebe und Körperflüssigkeiten eine zentrale Rolle ein. Es gilt nicht nur, den Körper vor den teilweise schädlichen Materialien des Implantats zu schützen, sondern auch das Implantat vor den Einflüssen des Gewebes zu schützen, ohne dessen Funktionen wie beispielsweise die Kommunikation zu beeinträchtigen.

Neben externen Kooperationspartnern besteht eine Projektgruppe der MMEDIC daher aus Mitarbeitern mit unterschiedlichen Expertisen. Systementwickler definieren Kommunikationsschnittstellen zwischen den einzelnen Blöcken und der externen Peripherie. Experten im Bereich der gemischt analog-digitalen Schaltungstechnik (engl. mixed-signal circuit design) implementieren applikationsspezifische analoge Schaltungsblöcke wie beispielsweise Verstärker, Filter, Spannungs- und Stromquellen oder leistungsoptimierte Analog-Digital und Digital-Analog Umsetzer sowie applikationsspezifische digitale Verarbeitungseinheiten wie beispielsweise sequentielle und kombinatorische Logik, endliche Zustandsautomaten oder RISC Mikroprozessoren. Schließlich evaluieren Experten des Forschungsschwerpunktes Energy Harvesting Ansätze zur drahtlosen Energie- und Datenübertragung und implementieren zugehörige Schaltungen wie Gleichrichter, Ladungspumpen und Spannungsregler.

smart bracket systemsmart bracket chip
 a) Systemb) Chip

 Abbildung 2: Im Rahmen des Projektes Smart Brackets entwickelter Chip. Die Datenaufbereitung der Stresssensoren für Normal- und Scheerspannungen erfolgt durch einen differentiellen Differenzverstärker (DDA), einen Analog-Digital Umsetzer (ADC) sowie einen endlichen Zustandsautomaten (FSM). Energie- und Datenübertragung erfolgen telemetrisch bei 13,56MHz.

Insbesondere in der Biomedizintechnik wird dem Entwurf von integrierten Schaltungen für niedrigste Versorgungsspannungen und Verlustleistungen (engl. ultra low-voltage, ultra low-power) sowie geringem Flächenbedarf ein sehr hoher Stellenwert bescheinigt. Auf Grund einer Gewebeschädigung durch das Implantat sowie des Komforts für den Patienten sind das zur Verfügung stehende Volumen und die damit verbundene Fläche oftmals limitiert. Des Weiteren darf die Erwärmung des Gewebes durch das Implantat maximal 1°C betragen, um Schädigungen des Gewebes zu vermeiden. Die Leistungsaufnahme einzelner Schaltungsblöcke und somit des Systems ist daher zwingend zu minimieren. Als Folge dieser Anforderung sind Standardlösungen häufig nicht verwendbar. Die MMEDIC Gruppe entwirft integrierte Schaltungen daher als applikationsspezifische, gemischt analog-digitale Schaltungen (engl. full-custom analog/mixed-signal design).

Aktuelle und abgeschlossene Projekte der MMEDIC Gruppe

Benutzerspezifische Werkzeuge