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Die Erfindung betrifft den Schutz
von implantierbaren, aktiven Vorrichtungen, insbesondere Herzschrittmacher
oder Herzdefibrillatoren.
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In dieser Hinsicht ist die Erfindung,
obwohl im Folgenden in der Beschreibung man hauptsächlich Bezug
nimmt auf den Fall eines Schrittmachers, anwendbar an jede Art von "aktive implantierbare medizinische
Vorrichtung", wie
sie definiert ist durch die Richtlinie 90/385/CEE vom 20. Juni 1990
des Europarates.
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Ein derartiger Schutz ist insbesondere
dafür bestimmt,
ein normales Funktionieren der implantierbaren Vorrichtung sicherzustellen,
wie auch immer die Umgebungsbedingung sind, insbesondere bei Vorhandensein
von elektromagnetischen Interferenzen, welche von außen kommen.
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Wegen der verschiedenen Elektroden,
welche mit der implantierbaren Vorrichtung verbunden sind, kann
diese letztere tatsächlich
jede Arten von elektromagnetischen Störungen empfangen, welche von
diversen Quellen, wie z. B. elektrischen Motoren, Fernsehern, Induktionsplatten,
Funktelefonen, Detektionsportalen von Zugangssystemen oder Antidiebstahlschutzsystemen,
etc. kommen. Es ist ebenso gleichermaßen für eine gewisse Anzahl von medizinischen
Geräten,
welche im Verlaufe von Operationen verwendet werden, wie z. B. Operationselektroden,
Instrumente einer Kauterisation mit Wechselstrom, Defibrillatoren,
etc.
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Diese Störungen können von sehr unterschiedlicher
Art sein: kurze oder längere Überspannungen,
induzierte Ströme,
radioelektrische Signale mit sehr verschiedenen Spektralcharakteristika
(die sich typischerweise von einem kHz bis mehreren MHz erstrecken)
etc., was die Realisierung eines Schutzes des Schrittmachers, welcher
vollständig und
effizient in allen Umständen
ist, schwierig macht.
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Diese äußeren Parasiten bzw. Störungen, welche
häufig
unter dem Begriff "EMI" (Electro Magnetic
Interference) bezeichnet werden, welche man hier "elektromagnetische
Störung" oder einfach "Störungen" nennen wird, haben
zunächst
als Wirkung, sich über
das Herzsignal drüberzulegen
unter der Gefahr, das Funktionieren des Schrittmachers zu stören, welcher
sie somit detektieren muss und wenn sie eine gegebene Schwelle überschreiten,
welche gegeben ist trotz der Schutzeinrichtungen oder Unterdrückungsschaltungen
des Schrittmachers, muss dieser letztere sich in eine Modus "Störung" setzen, in welcher
er auf autonome Weise funktionieren wird solange die Höhe der Störung nicht
wieder zurückfällt unterhalb
von einer gewissen Schwelle.
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Eine andere Wirkung von Störungen,
welche durch den Schrittmacher empfangen werden, ist das Risiko
einer Zerstörung
auf Grund von exzessiven Spannungen oder Strömen, welche in die Schaltkreise
des Schrittmachers eindringen; es ist daher absolut unerlässlich,
die Spannungen und Ströme
in den Herzsonden am Eingang des Apparates zu begrenzen.
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Sehr strenge Normen wurden in diesem
Sinne definiert und man kann auf die Norm CENELEC EN 50061, Änderung
1, "Sicherheit von
implantierbaren Herzschrittmachern" Bezug nehmen, welche die Höhen eines
minimalen Schutzes sowie eine gewisse Anzahl von Testverfahren zum
Verifizieren der Konformität
von Schrittmachern mit der Norm definiert.
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Bis heute wird der Schutz gegen Störungen von äußerem Ursprung
mittels Zener-Dioden
realisiert, in der Form von schlichten Bauteilen, welche dem Mirkoschaltkreis
des Schrittmachers zugefügt sind
und am Eingang montiert sind, an der Stelle des Anschlusses von
verschiedenen Sonden. Diese Zener-Dioden stellen eine Begrenzung
von Überspannungen
sicher, welche imstande sind am Eingang des Schrittmachers aufzutreten
(Begrenzung in der Zener-Spannung der Diode), wobei die Montage
von Dioden ebenso dafür
konzipiert ist, einen symmetrischen Schutz sicherzustellen, um insbesondere
jeden Demodulationseffekt in dem Fall von alternativen, hochfrequenten
Störungen
zu vermeiden.
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Ein derartiger, bekannter Schutz
durch Zener-Dioden, welche am Eingang des Schrittmachers hinzugefügt sind,
weist jedoch den Nachteil auf, den Raumbedarf von Schaltkreisen
des Schrittmachers zu erhöhen
auf Grund der Notwendigkeit, diskrete, zusätzliche Bauteile in ihrer Anzahl
stark erhöht,
hinzuzufügen
(jeder der Anschlüsse
eines Eingangs/Ausgangs des Schrittmachers erfordert mindestens
zwei Dioden), was entgegen der gesuchten Miniaturisierung läuft, insbesondere
in den komplexen Geräten,
wie z. B. Doppel- oder Dreifach-Kammer-Schrittmacher, Schrittmacher,
welche mit einem Regelungssensor verbunden sind, Defibrillatoren, etc.
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Was ihre Effizienz betrifft, stellen
diese Schutzschaltkreise mit Zener-Dioden einen zufriedenstellenden
Schutz sicher gegenüber
hohen Spannungen, welche z. B. mit Defibrillationsstößen verbunden
sind.
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Dagegen können Störungsspannungen von viel schwächeren Amplituden
empfangen oder demoduliert werden im Fall von elektromagnetischen Interferenzen
und können
Probleme mit den niedrigen Spannungsschaltkreisen des Schrittmachers verursachen.
Die klassischen Schaltkreise mit Zener-Dioden sind ineffektiv gegenüber derartiger
Störungen.
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Dieses Risiko ist besonders verstärkt im Fall, wo
die Schaltkreise des Schrittmachers aktive, integrierte Bauteile
aufweisen, welche mit nominalen Steuerspannungen funktionieren (Gitterspannung
einer MOS, insbesondere) relativ niedrig, wie dies z. B. in der
US-A-4 739 437 beschrieben ist. Dieses Risiko ist im Übrigen derart,
dass bis heute diese Bauteile mit schwacher Steuerspannung nicht
in implantierbaren Vorrichtungen verwendet wurden, was zu einem Verzichten
von Vorteilen der neuesten Halbleitertechnologien führt, insbesondere
ihre hohe Integ rationsdichte und ihr schwacher Verbrauch-Eigenschaften, welche
jedoch besonders gesucht werden für autonome, implantierbare
Vorrichtungen.
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Es ist eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung,
eine aktive implantierbare Vorrichtung, insbesondere einen Herzschrittmacher
oder einen Herzdefibrillator vorzuschlagen, welcher Schutzschaltungen
aufweist, welche eine Immunität
gegenüber
elektromagnetischen Störungen
bieten, wobei er eine große
Vielfalt von elektrischen und spektralen Eigenschaften aufweist,
wobei er somit in allen Umständen
ein Einhalten von noch strengeren Schutznormen sicherstellt.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung
ist es, die Realisierung einer derartigen Vorrichtung gemäß einer
Technologie zu erlauben, die nominale, schwache Steuerspannungen
umsetzt bei einem Bieten eines Schutzes, der konform mit den geltenden
Normen ist.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung
ist es, zu der Miniaturisierung einer Vorrichtung beizutragen unter
Reduzieren auf ein Minimum die Anzahl von diskreten Bauteilen, welche
den Schutzschaltungen zugefügt
werden.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung
ist es, Schutzschaltungen vorzuschlagen, welche nutzbar und anpassbar
sind an verschiedene Integrationstechnologien (z. B. eine Technologie
die teilweise bipolar und teilweise CMOS ist oder eine monolithische
Technologie BiCMOS).
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
vom Typ, welcher aus der US-A-4 739 437 bekannt ist, d. h. bei der
zumindest alle aktiven Bauteile der Schutzmittel gegen elektrische
Störungen
vom äußeren Ursprung
integrierte Komponenten bzw. Bauteile in monolithischer Art sind
wie auch die Mikroschaltung, welche die Eingangsstufen von Signalen
und die Kommutationsstufen von Elektroden aufweist. und die Kommutationsstufen
statische Schalter aufweisen mit einer Steuerspannung, die größer ist
zu der Spannung der Versorgungsbatterie der Vorrichtung, wobei die
Vorrichtung logische Steuersignale mit einer Spannung liefert, die
niedriger ist als die Steuerungsspannung.
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Gemäß der Erfindung weisen die
Schutzmittel Spannungstranslatorenmittel auf, um im Absolutwert
den Pegel der logischen Steuerungssignale auf einen Wert zu erhöhen, der
kompatibel ist mit den Steuerungsspannungen der statischen Schalter
und höher
ist oder gleich dem nominalen Pegel parasitärer Spannungen, die aus elektromagnetischen
Störungen
resultieren, die in der Lage sind, an den Anschlussklemmen der statischen
Schalter aufzutreten.
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Andere Vorteile und Merkmale werden
in den Unteransprüchen
angegeben.
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Andere Merkmale und Vorteile der
Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
offenbart, welche in Bezug auf die angefügten Zeichnungen erfolgt.
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1 ist
ein schematisches Blockschaltbild von einem der Mikroschaltkreise
eines Herzschrittmachers, welcher Mikroschaltkreis die Schaltungen der
Schalter der Elektroden, eines Schutzes und einer Versorgung umfasst.
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2 ist
ein Diagramm, welches die verschiedenen Spannungen zeigt, welcher
in der Schaltung aus 1 erzeugt
werden, und insbesondere die Höhe
zwischen welchen diese Spannung variieren.
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3 ist
eine detaillierte Schemadarstellung, welche die Struktur der Versorgungsschaltung aus 1 zeigt.
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4 ist
ein vergrößertes Schema
eines Teils der Schaltung aus 1,
welches die Organe bzw. Einrichtungen einer dynamischen Polarisierung und
eines Schutzes gegenüber
Spannungen zeigt.
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5 ist
eine detaillierte Schemadarstellung der inneren Struktur von Schutzorganen
gegen die Überspannungen
der Schaltungen der 1 und 4.
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Die Konfiguration, welche man beschreiben wird,
entspricht derjenigen eines Doppelkammerschrittmachers jedoch ist
dieses Beispiel selbstverständlich
nicht beschränkend
und die Erfindung kann angewendet werden ebenso auf einfach Schrittmacher
oder Dreifachkammern-Schrittmachern, geregelte oder nicht geregelte
Schrittmacher, (also eine oder mehrere zusätzliche Elektroden eines Messens von
einem physiologischen Parameter aufweisen), auf den Teil der Detektion/Stimulation
eines Defibrillators oder auch auf andere, aktive implantierbare Vorrichtungen
als Herzbezogene.
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In 1 bezeichnet
das Bezugszeichen 10 ein Herz, an welchem man verschiedene
Elektroden verbunden hat, deren Konfiguration derjenigen eines Doppelkammerschrittmachers
entspricht, d. h. aurikuläre
distale 12 und proximale 14 Elektroden und ventrikulare
distale 12' und
proximale 14'' Elektroden (diesbezüglich wird
man feststellen, dass in dem beschriebenen Beispiel die Schaltungen
und Elemente betreffend die ventrikulare Detektion und Stimulation durch
die gleiche Referenzzahl bezeichnet sind mit unter Hinzufügen eines "Strichs" wie die entsprechende ähnliche
Schaltung und Elemente für
die aurikulare Stimulation und Detektion).
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Die unterschiedlichen Herzelektroden
sind mit einer ersten Mikroschaltung 16 des Schrittmachers
verbunden. Das Gehäuse
des Schrittmachers wird in regelmäßigen Abständen mit der Erde bzw. Masse
der Schaltung verbunden, welche der Klemme 18 entspricht,
insbesondere im Fall einer einpoligen Detektion oder einer einpoligen
Stimulation.
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Die Herzelektroden und das Gehäuse weisen
mehrere elektrische Zustände
auf (Detektion oder auch Stimulation, monopolarer oder auch bipolarer),
was die Realisierung von Schaltungen erfordert, welche gemäß einer
besonderen Sequenzgebung gesteuert wird.
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Noch genauer ist die aurikulare Elektrode 12 mit
einer Klemme 20 über
einen Stimulationskondensator 22 verbunden, wobei die Klemme 20 durch
einen Schalter 24 umgeschaltet werden kann auf einen äußeren Kondensator 26,
dessen andere Klemme mit der Nullspannung verbunden ist (bezeichnet
mit VDD in dem Schema, und welches der positiven
Klemme bzw. Anschluss der Batterie entspricht), oder auch direkt
mit VDD über
einen anderen Schalter 28.
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Die aurikularen Elektroden 12 und 14 sind ebenso
mit Klemmen 30 und 32 verbunden, welche dafür bestimmt
sind, eine bipolare Detektion zu ermöglichen (mittels der Differenzialspannung)
von der Herzaktivität,
wobei diese Klemmen durch jeweils äußere Kondensatoren 34 und 36 entkoppelt
sind, welche die Filterung von hochfrequenten Störungen (höher als 1 MHz) sicherstellen.
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Schalter 38 und 40 setzen
einen Eingangswiderstand 42 außer Schaltung (während der
Stimulation) oder in Schaltung (außerhalb der Stimulation) zum
Auslassen von Restladungen, welche nach der Stimulation an der Schnittstelle
Herz-Elektrode weiter
bestehen bleiben. Der Schalter 44 ist durchlassend im Fall
einer bipolaren Detektion und sperrend im Fall einer monopolaren
Detektion und der Schalter 46 hat eine umgekehrte Funktionsweise.
Das detektierte Signal wird danach über Leitungen 48 in
Richtung zu den Differenzialverstärkern einer Detektion (nicht
wiedergegeben) geleitet.
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Die Mikroschaltung 16 weist
auch einen Schalter 50 für das Einschalten der aurikularen
Erde auf (Fall einer Stimulation); bei Nichtvorhandensein einer
Kommutation ist die entsprechende Elektrode (Klemme 32)
mit der Erde über
einen Widerstand 52 von einigen Zehn Megaohm verbunden,
welcher ermöglicht,
an dieser Klemme 32 ein statisches Nullpotential aufrechtzuerhalten.
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Die ventrikulare Stimulationsschaltung
ist die gleiche, wie diejenige, die man beschrieben hat, wobei die
Elemente 20' bis 52'' identisch zu den Elementen 20 bis 52 sind,
welche man näher
ausgeführt hat.
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Die Schaltung weist noch einen Schalter 54 auf,
welcher für
das selektive Einschalten der Erde des Gehäuses (Klemme 18) bestimmt
ist.
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Diese unterschiedlichen Schalter
ermöglichen
es, alle die Konfigurationen einer Stimulation und einer Detektion
sicherzustellen, ebenso im bipolaren Modus wie auch im monopolaren
Modus. Dies sind statische Schalter mit Transistoren, wie MOS oder äquivalente
Strukturen.
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Im Fall eines geregelten bzw. getriggerten Schrittmachers
können
sie gegebenenfalls durch einen oder mehrere zusätzliche Schalter vervollständig werden,
z. B. im Fall eines Schrittmachers, welcher über die Atmungsaktivität geregelt
wird, zum Sicherstellen der Entladung des Injektionskondensators.
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Andere Schalter können ebenso vorgesehen werden,
z. B. im Fall eines implantierbaren Defibrillators.
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Die Rolle und der Betriebsmodus von
diesen unterschiedlichen Kommutationen sind selbst hinlänglich bekannt
und werden aus diesem Grund nicht mehr im Detail beschrieben werden.
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Die Mikroschaltung 16 aus 1, welche eine Mikroschaltung
ist, von der alle Komponenten in einer monolithischen Weise integriert
sind, wird einer zweiten Mikroschaltung (nicht dargestellt) hinzugefügt, welche
ebenso auf monolithische Weise integriert ist und eine logische
Steuerschaltung aufweist, z. B. eine Schaltung mit Mikroprozessor
oder eine passende, äquivalente
Logik, die an sich hinlänglich bekannt
sind. Diese logische Steuerschaltung liefert insbesondere logische
Signale 56 eines Steuerns der Schalter und Zeit- bzw. Takt-Signale 68,
welche von der Mikroschaltung verwendet werden.
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Auf für die Erfindung charakteristische
Weise steuert man die verschiedenen Schalter ausgehend von logischen,
nicht symmetrischen Signalen und bei schwachem Pegel (d. h. ein
Pegel der nicht größer ist als
der Spannungspegel der Batterie), jedoch unter Herstellen einer
Gitterspannung, welche einen Abstand zwischen den entsprechenden
Spannungen im Durchgangszustand oder "ON" und
im Sperrzustand oder "OFF" aufweisen, welcher
Abstand nachfolgend bezeichnet wird als "Spannungsauslenkung", welche (1°) sehr viel höher im Absolutwert
ist als die logischen Signalwerte, und welche (2°) im Wesentlichen symmetrisch
zu dem Nullpotential ist, d. h. dem Ruhepotential von allen Eingängen und
Ausgängen
des Schrittmachers (Potential VDD = 0 V).
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Während
die eventuellen Interferenzen sich über dieses Ruhepotential legen,
ermöglicht
es eine große
Auslenkungsspannung, Risiken von ungewollten Kommutationen loszuwerden
und der symmetrische Spannungsbereich im Verhältnis zum Ruhepotential verhindert
jedes Risiko, welches mit einer Signaldemodulation im Fall einer
wechselnden Störung mit
hoher Frequenz verbunden ist.
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In dem dargestellten Beispiel sind
die Schalter MOS-Transistoren vom Typ N, deren Gitter durch eine
Spannung gesteuert wird, welche eine besondere Spannungsauslenkung
aufweist, welche oben angegeben ist und deren Substrat mit einer
stark negativen Versorgungsspannung verbunden ist.
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Um die Gitter in dieser Dynamik steuern
zu können,
werden die Schalter zu jeweiligen Spannungstranslatoren 58 hinzugefügt, welche
zwischen den nicht symmetrischen und mit schwachem Pegel versehenen
Steuersignalen zwischengelegt werden, welche in 56 angelegt
werden und die Gitter der entsprechenden Schalter.
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Diese Spannungsfranslatoren, von
welchen man weiter unten die Rolle erläutern wird, empfangen die verschiedenen
Versorgungsspannungen VDD, VSS,
VCC und VEE, welche
durch einen Block 60 erzeugt werden, dessen Struktur im
Detail in 3 wiedergegeben
ist.
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Dieser Block 60, welcher
aus vollständig
integrierten Elementen bzw. Bauteilen in monolithischer Form gebildet
ist (wie alle anderen Elemente der Mikroschaltung 16) ist
mit der negativen Klemme einer Batterie 62 verbunden, deren
andere Klemme das Referenznullpotential (VDD)
bildet, wobei die äußeren Komponenten
der Versorgung ein Kondensator 64, und Entkopplungskondensatoren 65 und 67 sind,
deren Rolle weiter unten erklärt
werden wird.
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Die verschiedenen Potentiale, welche
durch den Schrittmacher der Erfindung verwendet werden, und insbesondere
die Schaltungen, welche man beschrieben hat, sind die Nachfolgenden
(man könnte sich
insbesondere auf 2 beziehen,
wo man auf einem Diagramm diese verschiedene Potentiale in einer
Weise wiedergegeben hat, um ihre relative Wichtigkeit und ihren
symmetrischen oder nicht symmetrischen Charakter zu zeigen):
VDD: positive Klemme der Batterie 62,
entspricht dem Referenznullpotential.
VPILE:
negative Klemme der Batterie, typischerweise –2,8 V (bei Beginn der Lebensdauer
der Batterie) bis –2,1
V (am Ende des Lebens der Batterie).
VSS:
regulierte negative Spannung –1,5
V ±50
mV, welche besonders für
die logischen Signale verwendet wird.
VEE:
negative Spannung, typischerweise enthalten zwischen –5,5 V (Beginn
der Lebensdauer) und –4,1 V
(Ende der Lebensdauer), welche durch den Block 60 ausgehend
von VDD und VPILE erzeugt
werden (mit einem Entkopplungskondensator 65).
VCC: positive Spannung, üblicherweise +5,3 V (Beginn
der Lebensdauer) und +3,9 V (Ende der Lebensdauer), welche durch
den Block 60 ausgehend von VDD und
VEE erzeugt wird; man bemerke, dass diese Spannung
VCC einen approximativ symmetrischen Wert
von der negativen Spannung VEE aufweist,
der ebenfalls durch den Block 60 erzeugt wird.
VSUB: negative Versorgung, welche bestimmt
ist für die
Polarisation von Substraten; diese Spannung ist eine Spannung, welche
von VEE abgeleitet ist (mit einem Entkopplungskondensator 67)
mit Zwischenschalten eines Begrenzungsvorschaltwiderstands (Komponente 66 in 1), üblicherweise ein integrierter
Widerstand von 300 kΩ;
VSUB ist also ein Teil zwischen –5,5 V und –4,1 V.
Noch genauer hat der Widerstand 66 einerseits zur Aufgabe,
den Strom in den Sonden im Fall eines ersten Fehlers zu begrenzen
und andererseits, bei Vorhandensein eines Stroms eines Substrats,
welches durch eine äußere Störung hervorgerufen
wird (z. B. der schwache Strom, welcher während einer Spitzenbegrenzung auftritt)
VEE zu schützen.
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Die im Wesentlichen symmetrischen
Spannungen VCC und VEE/VSUB werden auf die nachfolgende Weise durch
den Block 60, welcher in 3 dargestellt
ist, erzeugt.
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Der Block 60, welcher die
Zeitgebersteuersignale 68 empfängt, welche von der logischen
Schaltung des Schrittmachers kommen, weist hauptsächlich zwei
Untergesamtheiten auf, d. h. eine Untergesamtheit 70, welche
die negative Spannung VEE erzeugt (und demnach
VSUB, welche hier direkt abgeleitet ist)
ausgehend von VPILE, und eine Untergesamtheit 72,
welche die positive Spannung VCC ausgehend
von der Spannung VEE erzeugt, welche durch die
Untergesamtheit 70 erzeugt wird.
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Die Untergesamtheit 70 ist
hauptsächlich aus
einer Spannungsdopplerschaltung 74 gebildet, von einer
an sich bekannten Struktur und wiedergegeben in 3 (und welche man daher nicht weiter erklären wird).
Diese Dopplerschaltung wird aus einer Mehrzahl von Translatoren
gebildet, welche durch die logischen Signale in einer passenden
Weise sequenziert sind, Schaltern, welche hinzugefügt sind
und einem externen Kondensator 64. Sie ermöglicht,
die Spannung der Batterie VPILE, die zwischen –2,8 V und –2,1 V enthalten
ist, in eine Spannung VEE (demnach einer
Spannung VSUB) enthalten zwischen –5,5 V und –4,1 V zu
transformieren. Die erhaltene Spannung wird über eine Diode 78 mit
geringer Schwellspannung geliefert, welche durch einen Strom polarisiert
ist, welcher hier ausgehend von einer Quelle (nicht wiedergegeben)
angelegt ist, um auf ein Maximum jeden Spannungsabfall auf dem Pegel
dieser Komponente zu begrenzen.
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Die Untergesamtheit 72 selbst
erzeugt ausgehend von VEE eine positive
Spannung VCC enthalten zwischen +5,3 V und
+3,9 V, z. B. mittels einer Schaltung vom Typ "Ladungspumpe", welche eine Mehrzahl von Schaltern
aufweist, welche durch die Zeitgebersignale 68 sequenziert
sind und integrierte, zugehörige
Kondensatoren 80, gemäß einem
selbst bekannten Schema und welches aus diesem Grunde nicht weiter
im Detail erklärt
werden wird.
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Eine solche Schaltung vom Typ Ladungspumpe
ist vorteilhaft, weil sie bei einer Technologie BiCMOS oder bipolaren
Technologie mit Kästen,
die vom Substrat isoliert sind, vollständig realisiert werden kann;
jedoch sind andere Ausführungsvarianten möglich, z.
B. im Fall einer Technologie eines einfachen CMOS, von gesampelten
Schaltungen vom Typ einer Wiederherstellung eines Pegels (clamping);
bei dieser letzten Annahme wird es nötig sein, genauso viele Schaltungen
wie Schalter vorzusehen und ebenso ein Auffrischungssignal für die Schalter,
deren Durchlasszustand während
der Dauer eines Zyklus aufrechterhalten werden muss.
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Auf Grund der Herstellung von diesen
verschiedenen Spannungen ist es möglich unter Anlegen von logischen
Signalen 56 (1),
enthalten zwischen VDD und VSS (0
V und –1,5
V), auf den Gittern der Schalter Steuerspannungen zu erzeugen, deren
Ablenkung enthalten ist zwischen VEE und
VCC, d. h. üblicherweise zwischen –5,5 V und
+5,3 V (am Anfang der Lebensdauer der Batterie; zwischen –4,1 V bis
3,9 V am Ende der Lebensdauer der Batterie), also mit gleichzeitig
sehr viel höheren
Spannungen - ungefähr
im Absolutwert verdreifacht - und symmetrisch, wobei sie also und
das in zweierlei Hinsicht eine weit bessere Immunität gegen äußere Störungen sicherstellen,
welche geeignet sind die Steuerung der Schalter zu beeinflussen.
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Die Spannungstranslatoren 58,
welche mit den verschiedenen Potentialen VCC,
VDD, VSS und VEE verbunden sind, sind an sich bekannte
Schaltungen, welche an jeder Übertragungsleitung
des logischen Steuersignals zwischengeschaltet sind und die Verstärkung und
die Symmetrisierung der Steuerspannung VDD/VSS zu VCC/VEE sicherstellen, also die Verstärkung und
die Symmetrisierung der Dynamik der Schaltersteuerung. Diese Spannungstranslatoren können in
monolithischer Form vollständig
integriert mit der Mikroschaltung 16 realisiert sein, also
mit einer Möglichkeit
einer großen
Integrationsdichte und demnach einer extremen Miniaturisierung.
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Auf Grund dieser Konfiguration einer
Schaltung hat man sichergestellt, dass die Steuerung von verschiedenen
Schaltern der Schaltung 16 sicher sein wird vor elektromagnetischen
Störungen,
welche anderenfalls bei gewissen Bedingungen zu fehlerhaften und
zu unvorhergesehenen Kommutationen hätte führen können.
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Des Weiteren, um in jedem Moment
und trotz all der Störungen,
welche auftreten könnten,
eine Spannung VSUB aufrechtzuerhalten, welche
die negativste Spannung der Schaltung ist, sieht man vor, die Schaltung
mit einer "dynamischen
Versorgung" zu versehen,
welche verhindert, dass stark negative Störungen nicht die relativen
Abweichungen bzw. Abstände
zwischen den verschiedenen Pegeln einer Spannung, welche durch die
Spannungstranslatoren erzeugt wird, und welche den verschiedenen
Schaltern angelegt wird, mit den Auswirkungen auf das Funktionieren
der Gesamtheit einer Schaltung stören können.
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Hierfür ist jede der Klemmen 20, 20'', 32, 32'' und 18 einerseits mit
der Kathode einer Diode 94 verbunden, deren Anode mit VSUB verbunden ist (die Dioden 94 sind
ebenso auf der vergrößerten Teilansicht der 4 ersichtlich). Was die
Polarisation der aurikularen und ventrikularen Massen betrifft,
ermöglichen
die Widerstände 52 und 52'', welche die Klemmen 32 und 32'' mit dem Gehäuse verbinden (Klemme 18),
sich von jedem eventuellen Verluststrom zu befreien.
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Somit, wenn irgendeine der Klemmen 20, 20', 32, 32' und 18 auf
Grund von Störungen
auf ein negativeres Potential als VSUB gebracht
wird, treten die Dioden in Leitung und ermöglichen die Überversorgung
der Gesamtheit von Punkten, welche mit VSUB verbunden
sind, wobei sie so jedes ungewollte Kommutationsrisiko wegen dieser
Störung
vermeiden.
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Was den Schutz gegenüber Spannung
eines hohen Wertes betrifft wird der Schutz gewöhnlicherweise bei bekannten
Schrittmachern mittels Zener-Dioden realisiert, welche gegenüberliegend
zwischen jede Eingangsklemme und der Masse montiert wird. Diese
Dioden stellen eine symmetrische Spitzenbegrenzungen von Spannung
höher als
die Spannung von Zener sicher, üblicherweise
Spannung höher
als einem Absolutwert von ±7
V (schraffierte Bereiche der 2).
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Die Erfindung schlägt vor,
diese Komponenten zu ersetzen, welche bis heute diskrete, auf der Schaltung
hinzugefügte
Komponenten waren, durch vollständig
integrierte und monolithische Schutzschaltungen. Diese Schaltungen
gemäß der Erfindung
sind Dipole, welche auf die gleiche Weise wie die Zener-Dioden montiert
sind, entgegengesetzt zum Stand der Technik, und geeignet sind vergleichbare
Strompegel zu diesen letzteren zu leiten (mehrere hundert Milliamper),
trotz ihrer vollständig
integrierten Struktur und ihres weit geringeren Platzbedarfes.
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Diese Spitzebegrenzungsschaltungen 98 sind
gleich in der Anzahl zu derjenigen der Klemmen 20, 20', 30, 30', 32, 32' und sind jede
zwischen der jeweiligen Klemme und der Erde des Gehäuses, entsprechend
zu der Klemme 18 montiert.
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Um ihre Integration zu ermöglichen,
weisen diese Schaltungen 98 jede die Struktur auf, welche 5 dargestellt ist, welche
eine symmetrisch, entgegengesetzte Struktur ist, von der jede Mitte
zwei bipolare Transistoren 100, 102 aufweist,
die in Serie montiert sind, den Emitter des Transistors 100,
wobei er mit einer der Pole 104 der Schaltungen 98 verbunden
ist, den Kollektor dieses Transistors 100, wobei er mit
dem Emitter des Transistors 102 und dem Kollektor des Transistors
102 verbunden
ist, wobei er am anderen Pol 104 der Schaltung 98 verbunden
ist. Zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 100 ist
ein Widerstand 106 montiert und zwischen der Basis des
Transistors 100 und dem Kollektor des Transistors 102 sind
gegenüberliegend
zwei (oder mehrere) integrierte Zener-Dioden 108, 110 montiert, welche
ermöglichen,
die Spitzenbegrenzungsspannung zu definieren. Der Dipol, welcher
so gebildet ist, kommt in Leitung, wenn die Potentialdifferenz an
seinen Klemmen einen Absolutwert von 7 V übersteigt. Er funktioniert
also als Stromverstärker
mit durch die Spannung getriggerter Leitung und kann zwischen seinen
Klemmen Strom bis zu 300 mA leiten und kann Spitzen von 3 A über 10 ms
absorbieren. Er ist demnach fähig,
ohne Risiko einer Störung,
selbst Störungen
von sehr starker Energie zu vertragen.