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DE69819533T2 - Strom-frequenz-wandlerschaltung und deren verwendung in implantierbaren sensoren - Google Patents

Strom-frequenz-wandlerschaltung und deren verwendung in implantierbaren sensoren

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DE69819533T2
DE69819533T2 DE1998619533 DE69819533T DE69819533T2 DE 69819533 T2 DE69819533 T2 DE 69819533T2 DE 1998619533 DE1998619533 DE 1998619533 DE 69819533 T DE69819533 T DE 69819533T DE 69819533 T2 DE69819533 T2 DE 69819533T2
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DE
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Grant
Patent type
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DE1998619533
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DE69819533D1 (de )
Inventor
C. John GORD
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ALFRED E MANN FOUNDATION FOR SCIENTIFIC RESEARCH SANTA CLARITA
Alfred E Mann Institute for Biomedical Engineering at USC
Original Assignee
ALFRED E. MANN FOUNDATION FOR SCIENTIFIC RESEARCH, SANTA CLARITA
Alfred E Mann Institute for Biomedical Engineering at USC
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Publication date
Grant date

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03BASIC ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K7/00Modulating pulses with a continuously-variable modulating signal
    • H03K7/06Frequency or rate modulation, i.e. PFM or PRM
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/18Applying electric currents by contact electrodes
    • A61N1/32Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
    • A61N1/36Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
    • A61N1/372Arrangements in connection with the implantation of stimulators
    • A61N1/378Electrical supply

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • [0001]
    Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf implantierbare medizinische Vorrichtungen, und insbesondere auf eine Niedrigleistungs-Strom/Frequenz-Wandlerschaltung, die in einem implantierbaren Sensor verwendet werden kann, um einen kleinen Analogstrom, der vom Sensor als Ergebnis des Abtastens eines spezifischen Parameters oder einer Substanz erzeugt worden ist, in ein variables Frequenzimpulsfolgesignal umzuwandeln. Eine Zählung der Impulse der Impulsfolge kann durchgeführt werden, um eine genaue digitale Messung des vom Sensor erzeugten kleinen Analogstroms bereitzustellen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • [0002]
    Auf dem Gebiet der implantierbaren medizinischen Vorrichtungen wird eine medizinische Vorrichtung, die zur Ausübung einer gewünschten medizinischen Funktion ausgebildet ist, in das lebende Gewebe eines Patienten implantiert, so dass eine gewünschte Funktion, wie für das Wohl des Patienten notwendig, ausgeübt werden kann. Auf diesem Gebiet sind zahlreiche Beispiele für implantierbare medizinische Vorrichtungen bekannt, die von implantierbaren Schrittmachern, Cochlear-Stimulatoren, Muskelstimulatoren bis zu Glukosesensoren und dergleichen reichen.
  • [0003]
    Viele implantierbare medizinische Vorrichtungen sind so konfiguriert, dass sie nur die Abtastfunktion ausführen, d. h. einen speziellen Parameter abfühlen, wie z. B. die Menge einer spezifizierten Substanz im Blut oder im Gewebe des Patienten, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das auf die Menge oder die Konzentration der abgefühlten Substanz hinweist. Ein derartiges elektrisches Signal wird anschließend mit einem geeigneten Steuerungselement gekoppelt, das implantiert sein kann oder nicht und auf die abgefühlte Information auf eine Art und Weise reagiert, die der medizinischen Vorrichtung ein Ausüben ihrer vorbestimmten Funktion ermöglicht, wie z. B. das Anzeigen und/oder Aufzeichnen des Messwerts der abgefühlten Substanz. Ein Beispiel für eine implantierbare medizinische Vorrichtung, die die Abfühlfunktion ausübt, ist z. B. in der US-A-4.671.288 angeführt.
  • [0004]
    Da medizinische Vorrichtungen in jüngsten Jahren nützlicher und zahlreicher geworden sind, besteht ein kontinuierlicher Bedarf an der Bereitstellung von Niedrigstleistungssensoren, die mit solchen Vorrichtungen verbunden werden können oder in diese integriert sein können, so dass die erwünschte Funktion der Vorrichtung ohne hohen Leistungsverbrauch durchgeführt werden kann (da Leistung bei implantierbaren Vorrichtungen normalerweise begrenzt ist).
  • [0005]
    Zudem ist das vom Sensor erzeugte Ausgangssignal (das ein Maß des Parameters oder der Substanz darstellt, die vom Sensor abgefühlt wird), da der Leistungsverbrauch vieler implantierbarer Sensoren automatisch sehr gering gestaltet wird, sehr klein (z. B. eine äußerst geringe Amplitude). Dieses kleine Ausgangssignal muss dann in ein nützlicheres Ausgangssignal, z. B. ein verstärktes Signal oder ein digitales Signal, umgewandelt werden, bevor es zur Steuerung der medizinischen Vorrichtung verwendet werden kann oder von dieser angezeigt werden kann. Darüber hinaus ist der Sensor selbst oft in einem Abstand von der medizinischen Vorrichtung angeordnet, die die vom Sensor gemessene Information benötigt. Das Sensorsignal muss daher über einen geeigneten Leiter zur medizinischen Vorrichtung gesendet werden oder anderweitig an die medizinische Vorrichtung übertragen werden. Da das Sensorausgangssignal so klein ist, wird es im Allgemeinen zuerst verstärkt oder anderweitig in ein Signal in einem brauchbareren Format umgewandelt (d. h. durch einen Analog-Digital-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt), bevor es verlässlich an die medizinische Vorrichtung gesendet oder übertragen werden kann. Leider macht eine solche Verstärkung und/oder A/D-Umwandlung einen zusätzlichen Schaltkreis erforderlich, der an der Sensorstelle angeordnet ist. Dieser am Sensor angeordnete zusätzliche Schaltkreis (der als Teil des Sensors integriert sein kann oder einen zusätzlichen Schaltkreis ausbildet, der mit dem Sensor verwendet werden muss), stellt nicht nur einen zusätzlichen Leistungsbedarf für das System dar, sondern kann auch die Schaltkreiskomplexität, Größe und Kosten des Sensorschaltkreises drastisch erhöhen. Es besteht daher Bedarf an einer Niedrigstleistungs-Wandlerschaltung, die das äußerst kleine Ausgangssignal, das von implantierbaren Sensoren typischerweise erhalten wird, in ein Signalformat umwandelt, das die nachfolgende Übertragung des Signals zur medizinischen Vorrichtung und dessen Verwendung durch diese ermöglicht.
  • [0006]
    Dies ist bei der Verwendung von mehr als einem Sensor noch dringender erforderlich. Mehr als ein Sensor muss z. B. verwendet werden, um mehr als eine Substanz oder physiologischen Parameter zu messen. In anderen Fällen ist mehr als ein Sensor erforderlich, um dieselbe Substanz oder denselben physiologischen Parameter an unterschiedlichen Stellen im Körper des Patienten zu messen oder abzufühlen. Immer wenn mehrere Sensoren implantiert werden und gemeinsam benutzt werden sollen, besteht der Bedarf, diese getrennten Sensoren mit einer Einzel-Steuerungsschaltung oder einem gemeinsamen Kontrollpunkt zu verbinden oder zu koppeln. Es ist daher unumgänglich notwendig, dass das Ausgangssignal (das Ausgangsdaten darstellt) jedes Sensors zuerst in ein Format umgewandelt wird, das die Übertragung des Sensorausgangssignals über einen gemeinsamen Datenbus oder Kommunikationskanal ermöglicht, ohne dabei die Vollständigkeit der Daten zu beeinträchtigen und eine große, oder selbst moderate Menge an Strom zu verbrauchen.
  • [0007]
    Die EP-A-670499 beschreibt einen Spannungs-Frequenz-Wandler. Eine Eingangsspannung, die in einem elektronischen Wechselstromzähler verwendet wird, wird in eine der Eingangsspannung entsprechende Frequenz umgewandelt. Die Patentschrift bezieht sich auf einen Spannungs-Frequenz-Wandler, worin der Linearitätsfehler begrenzt ist, selbst wenn der Operationsverstärker eine Eingangs-Nullspannung aufweist.
  • [0008]
    Die US-A-4349769 beschreibt einen inkrementalen Integrierer und die resultierenden Inkremental-Ausgang-Servosensoren. Der Integrierer ist dadurch gekennzeichnet, dass der Strom durch die Entladung eines Kondensators und durch die Verwendung eine einfachen Spannungsquelle anstatt einer symmetrischen Referenzspannungsquelle erhalten wird. Die aus der Verwendung des Integrierers resultierenden Inkremental-Ausgang-Servosensoren besitzen eine gemessene Größe, bei der eine ursprünglich elektrische Größe zu einer physikalischen Größe wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • [0009]
    Die vorliegende Erfindung nimmt sich der obigen sowie weiterer Bedürfnisse an, indem eine Niedrigstleistungs-Strom/Frequenz-(I/F)Wandlerschaltung zur Verwendung in situ mit einem implantierbaren Sensor, der als Ausgangssignal einen niedrigen Analogstrom oder -spannung erzeugt, bereitgestellt wird.
  • [0010]
    Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst das vom Sensor erzeugte analoge Ausgangssignal einen äußerst geringen elektrischen Analogstrom, und eine von der implantierbaren Vorrichtung verwendete Wandlerschaltung umfasst eine Niedrigleistungs-Strom/Frequenz-Wandlerschaltung. Eine solche Niedrigleistungs-Strom/Frequenz-Wandlerschaltung schließt Folgendes ein: (1) einen Operationsverstärker, (2) einen ersten Kondensator, (3) einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO, voltage controlled oscillator) und (4) eine Ladungspumpschaltung.
  • [0011]
    Der Operationsverstärker, der vorzugsweise aus Niedrigleistungs-N-MOS- und -P-MOSFET-Transistoren mit spezifischen Dimensionen hergestellt ist, besitzt zwei Eingangsanschlüsse und einen Ausgangsanschluss. Beim Betreiben wird ein zwischen die beiden Eingangsanschlüsse angelegtes elektrisches Signal differentialverstärkt, um an seinem Ausgangsanschluss ein verstärktes Ausgangssignal bereitzustellen. Der erste Kondensator ist mit einem der Eingangsanschlüsse des Operationsverstärkers verbunden und wird verwendet, um die vom elektrischen Eingangsstrom bereitgestellte Ladung aufzunehmen. Die VCO-Schaltung besitzt einen Spannungs-Steuerungs-Eingangsanschluss und einen VCO-Ausgangsanschluss, und der Spannungs-Steuerungs-Eingangsanschluss ist mit dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers verbunden. Der VCO beinhaltet, wie auf dem Gebiet bekannt ist, ein Mittel zum Erzeugen eines VCO-Signals mit einer Frequenz, die als eine Funktion der Größe einer an den Spannungs-Steuerungs-Eingang angelegten Steuerungsspannung variiert.
  • [0012]
    Im Betrieb ist die Ladungspumpschaltung mit dem ersten Kondensator des Operationsverstärkers gekoppelt und pumpt eine diskrete Ladung durch Steuerung der Frequenz des VCO-Signals vom ersten Kondensator ab. Ein an den ersten Kondensator angelegter elektrischer Strom, z. B. vom Ausgang des Sensors, neigt dazu, das Ansammeln einer Ladung am ersten Kondensator als Funktion der Größe des elektrischen Stroms zu verursachen, wobei die Ladung die Tendenz besitzt, die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers zu erhöhen, um die Frequenz des VCO-Signals zu steigern. Die erhöhte VCO-Frequenz wiederum verursacht, dass die Ladung mit erhöhter Geschwindigkeit vom ersten Kondensator abgepumpt wird. Der Operationsverstärker bringt dadurch die Frequenz des VCO-Signals auf die Rate, die erforderlich ist, um die Ladung am ersten Kondensator bei im Wesentlichen null zu halten. Die Frequenz des VCO-Signals variiert daher als eine Funktion der Größe des an den ersten Kondensator angelegten elektrischen Stroms.
  • [0013]
    In einer bevorzugten Ausführungsform werden der Operationsverstärker, der VCO und die Ladungspumpschaltung alle unter Verwendung einer einzigen Versorgungsspannung mit einem ersten Anschluss V+ und einem zweiten Anschluss V– betrieben (wobei die beiden Anschlüsse manchmal einfach als V und „Erde" bezeichnet werden). Der erste Kondensator ist zwischen einen ersten Eingangsanschluss des Operationsverstärkers und V– geschaltet, und ein zweiter Eingangsanschluss des Operationsverstärkers ist ebenfalls mit V– verbunden. Durch die derartige Verwendung einer Versorgungsspannung wird der Stromverbrauch des Strom/Frequenz-Wandlers sehr niedrig gehalten. In einer bevorzugten Ausführungsform verbraucht die Niedrigleistungs-Strom/Frequenz-Wandlerschaltung weniger als 600 Nano-Ampere (nA) an Strom.
  • [0014]
    Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung kann die I/F-Wandlerschaltung in einem hermetisch abgedichteten Teil eines implantierbaren Sensors eingeschlossen sein, der einen nicht hermetisch abgedichteten Teil (umfassend z. B. Elektroden, Verbindungsanschlüsse und/oder Sensormaterialien, die mit den Körperfluiden oder dem Gewebe in Berührung sein müssen) sowie einen hermetisch abgedichteten Teil (umfassend einen elektrischen Schaltkreis, um den nicht hermetisch abgedichteten Teil zu verwalten, zu überwachen und/oder zu steuern). Ein erstes Paar an Anschlüssen ist als Teil des nicht hermetisch abgedichteten Teils eingeschlossen und dient als Eingangs-/Ausgangsanschlüsse, um den implantierbaren Sensor über eine Verbindungsbusleitung, die lediglich zwei Leiter einschließt, von denen jeder mit jeweils einem Anschluss verbunden ist, mit einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung zu verbinden. Sowohl der Betriebsstrom als auch Steuerungsdaten werden über die Zwei-Leiter-Busleitung von der medizinischen Vorrichtung auf den Sensor übertragen. Und die abgefühlten Daten, die durch den I/F-Wandler der vorliegenden Erfindung in eine für die Übertragung geeignete Form umgewandelt wurden, werden über dieselbe Zwei-Leiter-Busleitung vom implantierbaren Sensor zur medizinischen Vorrichtung übertragen. Das erste Paar an Anschlüssen (oder ein zweites Paar an Anschlüssen, das elektrisch mit dem ersten Paar an Anschlüssen verbunden ist) kann auch als Verbindungsanschlüsse dienen, um zusätzliche implantierbare Sensoren in einer Prioritätsverkettung an der Verbindungsbusleitung anzubringen, wie in der US-A-5999848 offenbart.
  • [0015]
    Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, dass die I/F-Wandlerschaltung auf einem einzigen integrierten Schaltungschip ausgebildet werden kann.
  • [0016]
    Es ist daher ein Merkmal der vorliegenden Erfindung eine implantierbare Niedrigstleistungs-Strom/Frequenz-Wandlerschaltung zur Verwendung in einem implantierbaren Sensor, wie z. B. einem implantierbaren Glukosesensor, bereitzustellen, der als Funktion eines abgefühlten physiologischen Parameters oder einer Substanz einen geringen elektrischen Analogstrom erzeugt.
  • [0017]
    Es ist ein weiteres Merkmal der Erfindung eine implantierbare Niedrigstleistungs-Strom/Frequenz-Wandlerschaltung bereitzustellen, die Eingangsstrom (I) in einem Speicherkondensator sammelt, eine Steuerungsspannung als Funktion der Ladung im Speicherkondensator erzeugt, mit der Steuerungsspannung ein VCO ansteuert, um ein VCO-Ausgangssignal mit einer Frequenz (F) zu erzeugen, die als eine Funktion der Steuerungsspannung variiert, und eine diskrete Ladung unter der Steuerung der Frequenz des VCO-Signals vom ersten Kondensator abpumpt, so dass die Ladung des ersten Kondensators bei etwa null gehalten wird und dadurch der Eingangsstrom (I) in eine Ausgangsfrequenz (F) umgewandelt wird.
  • [0018]
    Wiederum ein weiteres Merkmal der Erfindung ist es, einen implantierbaren Sensor mit einem hermetisch abgedichteten Teil und einem nicht hermetisch abgedichteten Teil bereitzustellen, wobei elektrische Durchkontaktierungen elektrische Verbindungen zwischen dem hermetisch abgedichteten Teil und dem nicht hermetisch abgedichteten Teil bereitstellen und eine Niedrigleistungs-I/F-Wandlerschaltung in den hermetisch abgedichteten Teil eingeschlossen ist.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
  • [0019]
    Die obigen sowie weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende detailliertere Beschreibung in Zusammenhang mit den folgenden Abbildungen deutlicher, worin:
  • [0020]
    1 ein Blockschaltbild ist, das die Vielzahl miteinander über eine Zwei-Leiter-Bus- oder Sammelleitung verbundenen Sensoren veranschaulicht, wobei die Zwei-Leiter-Busleitung mit einem Steuerungselement verbunden sein kann;
  • [0021]
    2 schematisch eine bevorzugte Art veranschaulicht, wie ein Sensor nach der vorliegenden Erfindung mit einem Steuerungselement und anderen Sensoren in Serie oder in einer Prioritätsverknüpfung (daisy chain) geschaltet sein kann;
  • [0022]
    3A eine perspektivische Ansicht, teils in Einzelteilen, eines bevorzugten Sensor darstellt, wie er in der Prioritätsverkettung in 2 verwendet wird;
  • [0023]
    3B eine seitliche Querschnittsansicht des Sensors aus 3A darstellt;
  • [0024]
    3C eine Querschnittsansicht des Sensors aus 3A von oben darstellt;
  • [0025]
    3D eine Querschnittsansicht des Sensors aus 3A von vorne darstellt;
  • [0026]
    4 eine implantierbare Leitung veranschaulicht, die eine Vielzahl von Sensoren aus den 3A3D einschließt;
  • [0027]
    5A ein Funktionsblockschaltbild einer einfachen, durch Prioritätsverkettung verknüpfbaren implantierbaren Sensors ist, der eine I/F-Wandlerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung einschließt;
  • [0028]
    5B ein Funktionsblockschaltbild wie in 5A darstellt, worin ein alternatives Verbindungsschema zum Anbringen zusätzlicher Sensoren verwendet wird;
  • [0029]
    5C einen Funktionsblockschaltbild wie in 5A darstellt, worin jedoch zusätzliche Schaltungsvorrichtungen bereitgestellt sind, so dass eine Vielzahl an unterschiedlichen Sensoren und ein Stimulator innerhalb derselben implantierbaren Sensorvorrichtung eingeschlossen werden können, und worin eine Vielzahl an I/F-Wandlerschaltungen als Teil der Vorrichtung eingeschlossen sind;
  • [0030]
    6 ein Zeitsteuerungsdiagramm ist, das Eingangs- und Ausgangsdaten veranschaulicht, die an einen implantierbaren Sensor, wie er in den 5A, 5B oder 5C gezeigt wird, gesendet sowie von diesem empfangen werden;
  • [0031]
    7 einen Datenrahmen veranschaulicht, der für die Kommunikation mit dem implantierbaren Sensor der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • [0032]
    8 ein Zeitsteuerungsdiagramm darstellt, das Zeitmultiplex-Eingangs- und - Ausgangsdaten innerhalb eines Datenrahmens veranschaulicht, wie sie auf der Zwei-Leiter-Busleitung vorkommen, die eine Vielzahl von durch Prioritätsverkettung verknüpfbaren Vorrichtungen wie in den 5A, 5B oder 5C verbindet;
  • [0033]
    9 ein Funktionsblockschaltbild einer I/F-Wandlerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • [0034]
    10A ein Funktionsblockschaltbild des OP AMP Bereichs der in 9 dargestellten I/F-Wandlerschaltung zeigt;
  • [0035]
    10B ein schematisches Diagramm der SPANNUNGSPUFFER- und LADUNGSPUMP-Bereiche der in 9 dargestellten I/F-Wandlerschaltung zeigt;
  • [0036]
    10C ein schematisches/logisches Diagramm des VCO Bereichs der in 9 dargestellten I/F-Wandlerschaltung zeigt; und
  • [0037]
    10D ein Zeitsteuerungswellenformdiagramm zeigt, das mit dem Betreiben der VCO-Schaltung aus 10C verbunden ist.
  • [0038]
    Übereinstimmende Bezugszeichen weisen auf in den unterschiedlichen Ansichten der Abbildungen übereinstimmende Komponenten hin. Und ein allgemeiner Verweis auf „3", „5" oder „10" bezieht sich jeweils auf sämtliche mit dieser Nummer verbundenen Figuren, d. h. ein allgemeiner Verweis auf „3" verweist auf sämtliche 3A, 3B, 3C und 3D; ein allgemeiner Verweis auf „5" verweist auf sämtliche 5A, 5B und 5C; und ein allgemeiner Verweis auf „10" verweist auf sämtliche 10A, 10B, 10C und 10D.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • [0039]
    Die folgende Beschreibung stellt die Ausführungsform dar, die derzeit als beste Umsetzungsform der Erfindung erachtet wird. Die Beschreibung ist nicht eingrenzend zu verstehen, sondern dient rein dem Zweck der Beschreibung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung. Der Schutzumfang der Erfindung sollte mit Verweis auf die Ansprüche bestimmt werden.
  • [0040]
    Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Niedrigstleistungs-Strom/Frequenz(I/F)Wandlerschaltung, die in Verbindung mit den 910 untenstehend detaillierter beschrieben werden wird. Zweck der I/F-Wandlerschaltung ist es, ein analoges Eingangssignal, d. h. einen elektrischen Strom mit äußerst geringer Amplitude, in ein variables Frequenzausgangssignal umzuwandeln. Ein solches Ausgangssignal hat eine Frequenz, die als Funktion der Größe des analogen Eingangsstroms variiert.
  • [0041]
    Die von der vorliegenden Erfindung bereitgestellte I/F-Wandlerschaltung eignet sich vor allem zur Verwendung in einem implantierbaren Sensor des in Verbindung mit den 18 beschriebenen Typs. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht nur auf die Verwendung in einem Sensor des in Zusammenhang mit den 18 beschriebenen Typs beschränkt. Die Sensoren und Sensorsysteme des in Zusammenhang mit den 18 Typs stellen vielmehr die derzeit als am besten erachtete Verwendungsform einer I/F-Wandlerschaltung in einem implantierbaren Sensor dar. Da kein umfassendes Verstehen solcher Sensoren erforderlich sein sollte, um die herausragenden Merkmale der hierin beschriebenen I/F-Wandlerschaltung zu erkennen und zu verstehen, jedoch ein allgemeines Verstehen solcher Sensoren nützliche Hintergrundinformation über eine Verwendungsart der Erfindung geben kann, wird hierin nur eine kurze Erklärung der 18 gegeben. Eine detailliertere Beschreibung jeder der 18 ist in der US-A-5999484 zu finden.
  • [0042]
    Bezugnehmend auf 1 ist ein Blockschaltbild dargestellt, das eine Vielzahl von Sensoren 12a, 12b, ... 12n oder andere implantierbare Vorrichtungen, die miteinander verbunden sind, sowie ein Steuerungselement (in 1 nicht dargestellt) veranschaulicht, das lediglich zwei gemeinsame Leiter 14 und 16 aufweist. Die zwei Leiter 14 und 16, die allgemein als Zwei-Leiter-Verbindungsbusleitung bezeichnet werden, stellen einen gemeinsamen Signal- und Rückführleiter für Datensignale und Stromsignale bereit, die vom Steuerungselement an die Vorrichtungen 12a, 12b ... 12n gesendet werden, sowie einen gemeinsamen Signal- und Rückführpfad für Datensignale, die von den Vorrichtungen 12a, 12b ... 12n an das Steuerungselement übertragen werden.
  • [0043]
    2 veranschaulicht schematisch, wie eine implantierbare Vorrichtung, z. B. ein Sensor 18a, gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Fernsteuerungselement 20 und anderen implantierbaren Vorrichtungen 18b, ... 18n in Serie oder in einer Prioritätsverkettung geschaltet sein kann. Wie in 2 ersichtlich wird, ist die Vorrichtung 18a durch zwei Leiter 14' und 16' mit dem Steuerungselement 20 verbunden, die an einem ersten Paar von Anschlusspunkten oder Anschlüssen 13 und 15 entlang einer proximalen (d. h. der dem Steuerungselement 20 am nächsten liegenden) Seite der Vorrichtung 18a angebracht sind. Ein weiteres Paar von Anschlusspunkten oder Anschlüssen 17 und 19 ist entlang einer distalen Seite (d. h. der vom Steuerungselement 20 am weitesten entfernten Seite) der Vorrichtung 18a angeordnet. Wie aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich wird, ist der distale Anschlusspunkt 17 durch die Schaltung 21, die auf der Vorrichtung 18a angeordnet ist, elektrisch mit dem proximalen Anschlusspunkt 13 verbunden. Auf ähnliche Art ist der distale Anschlusspunkt 19 durch die Schaltung 21, die innerhalb der Vorrichtung 18a eingeschlossen ist, mit dem proximalen Anschlusspunkt 15 elektrisch verbunden. Zwei zusätzliche Leiter 14'' und 16'' werden nun verwendet, um die distalen Anschlusspunkte 17 und 19 der Vorrichtung 18a mit den zugehörigen proximalen Anschlusspunkten 13' und 15' der nächsten Vorrichtung 18b in der Prioritätsverkettung zu verknüpfen. Auf diese Weise können so viele Vorrichtungen wie erwünscht durch lediglich zwei Leiter mit dem Steuerungselement 20 in Serie geschaltet werden.
  • [0044]
    Es gibt zahlreiche unterschiedliche Anwendungen für durch Prioritätsverkettung verknüpfbare Sensoren 12 oder 18, wie sie in den 1 oder 2 veranschaulicht sind. Im Allgemeinen ist der Sensor 12 oder 18, wenn er implantiert wird, darauf ausgerichtet, einen oder mehrere Körperparameter oder Substanzen, die im Körpergewebe oder in Körperfluids zu finden sind, wie z. B. Glukosespiegel, Blut-pH, O2, Temperatur oder dergleichen, abzufühlen. Derartige Messungen können wertvolle Information hinsichtlich des Zustands und Status des Patienten bereitstellen.
  • [0045]
    Bezugnehmend auf die 3A, 3B, 3C und 3D ist eine Perspektive in Einzelteilen (3A), eine Seitenansicht (3B), eine Draufsicht (3C) bzw. eine Stirn-Ansicht (3D) einer typischen implantierbaren Sensorvorrichtung 30 dargestellt, die sich für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung eignet. Wie in der 3A am besten ersichtlich ist, schließt die Sensorvorrichtung 30 üblicherweise einen Träger oder ein Substrat 36 ein, auf dem eine integrierte Schaltung (IC) 38 und andere Komponenten, wie ein Kondensator 40, angebracht sind. Es muss festgestellt werden, dass in manchen Ausführungsformen der Träger oder das Substrat 36 eigentlich das Substrat umfassen, auf dem die integrierte Schaltung 38 hergestellt ist. Aufgrund der nachfolgenden Erläuterung wird jedoch angenommen, dass ein getrenntes Substrat oder ein getrennter Träger 36 verwendet wird, auf dem mehrere Schaltungselemente in Form einer Gabelschaltung befestigt sind. Der Träger oder das Substrat weisen geätzte oder anderweitig ausgebildete Verdrahtungsmuster auf, um die integrierte Schaltung 38, den Kondensator 40 und beliebige andere Komponenten in Form einer Gabelschaltung miteinander zu verbinden, die die erwünschte Abfühlfunktion (oder eine andere Funktion) ausführt.
  • [0046]
    Sämtliche Komponenten der Gabelschaltung sind innerhalb eines Hohlraums, der durch einen Deckel oder eine Abdeckung 42 geformt wird und auf das Substrat 36 geklebt ist, hermetisch abgedichtet. Proximate Anschlusspunkte oder Anschlüsse 13 und 15 sowie distale Anschlusspunkte oder Anschlüsse 17 und 19 verbleiben außerhalb des hermetisch abgedichteten Teils der Gabelschaltung. Diese proximalen und distalen Anschlusspunkte sind jedoch durch geeignete Durchführungsverbindungen elektrisch mit der Schaltung innerhalb des hermetisch abgedichteten Bereichs verbunden. Eine Ausführungsmöglichkeit einer solchen Durchführungsverbindung ist es, eine Durchführungsverbindung zu verwenden, die treppenartig durch den Träger oder das Substrat verläuft (einschließlich vertikaler sowie horizontaler Segmente), offenbart in der Parallelanmeldung Serien-Nr. 08/515,559, eingereicht am 16.8.1995 mit dem Titel „Hermetically-Sealed Electrical Feedthrough For Use With Implantable Electronic Devices", wobei die Anmeldung demselben Anmelder erteilt wurde wie bei der vorliegenden Erfindung.
  • [0047]
    Auf dem der elektrischen Gabelschaltung gegenüberliegenden Seite des Trägers oder des Substrats kann ein geeigneter elektrochemischer Sensor 44 oder ein anderer gewünschter Sensor- oder Stimulatortyp ausgebildet oder angebracht sein. Eine Art von elektrochemischem Sensor, die verwendet werden kann, ist z. B. der in der US-A-5.497.772, die hierin mit Verweis beinhaltet ist, und insbesondere in den 2A, 2B, 2C, 3, 4A und 4B dieses Patents beschriebene Enzym-Elektrodensensor.
  • [0048]
    Für den Zweck der vorliegenden Erfindung ist die genaue Art des Sensors 44 und anderer implantierbarer Elemente, die innerhalb der Vorrichtung 30 verwendet werden, nicht entscheidend. Was wichtig ist, ist, dass der Sensor oder ein anderes Element implantierbar sind, und dass er die gewünschte Funktion erfüllt, wie z. B. das Abfühlen eines gewissen Substanzparameters, oder das Erzeugen eines gewissen Signals in Reaktion auf ein geeignetes Steuerungssignal oder -signale.
  • [0049]
    Die Signalkommunikation zwischen der der Gabelschaltung zugewandten Seite des Substrats oder Trägers 36 (die die Oberseite ist, wenn die Vorrichtung 30 wie in den 3B oder 3D ausgerichtet ist, und welche Oberseite den hermetisch abgedichteten Abschnitt der Vorrichtung umfasst) und der Sensor-Seite der Vorrichtung 30 (die wie in den 3B oder 3D gezeigt die Unterseite ist) erfolgt, indem geeignete hermetisch abgedichtete Durchführungen angeordnet werden, die stufenweise von der Gabelseite (Oberseite) der Vorrichtung 30 durch das Substrat oder den Träger, z. B. wie in der oben zitierten US-A-08/515559, bis zur Sensorseite (Unterseite) der Vorrichtung 30 verlaufen.
  • [0050]
    Die in 2 dargestellte Konfiguration eignet sich besonders zur Prioritätsverkettung mehrerer implantierbarer Vorrichtungen, um eine Einzelleitung 32 wie in 4 dargestellt auszubilden. Wie in 4 ersichtlich ist, sind drei Sensor-artige Vorrichtungen 30a, 30b und 30c durch Leitungssegmente 46a, 46b und 46c miteinander verbunden. Jedes der Leitungssegmente 46a, 46b und 46c verfügt über zwei Leiter 14 und 16 und kann auf eine beliebige geeignete Weise konstruiert sein, z. B. können die zwei Leiter wie eine Spirale innerhalb der Leitungssegmente gewickelt sein und die Spiralenwicklungen von einer Schicht Silicongummi umhüllt oder bedeckt sein, wie es auf dem Gebiet der Leitungstechnik bekannt ist. Ein distaler Verschluss 34 bedeckt die distalen Anschlusspunkte der End- oder am weitesten entfernten Vorrichtung 30c der Leitung 32.
  • [0051]
    Die Niedrigleistungs-Strom/Frequenz-Wandlerschaltung der vorliegenden Erfindung kann als Teil einer elektrischen Schaltung, die innerhalb oder als Teil des oben als „Gabelschaltungsabschnitt" bezeichneten Bereichs der implantierbaren Vorrichtung 30 enthalten ist. Im Allgemeinen ermöglicht diese elektrische Schaltung eine Verbindung der implantierbaren Vorrichtung 30 durch eine Prioritätsverkettung mit anderen ähnlichen implantierbaren Vorrichtungen, und lässt dennoch eine individuelle Adressierbarkeit jeder einzelnen Vorrichtung zu, die von einem einzigen Steuerungselement 20 kontrolliert und überwacht werden. Insbesondere wandelt der I/F-Wandlerschaltkreis der gegenständlichen Erfindung Niedrigpotential-Analogsignale, die aus dem Sensor 44 erhalten wurden, oder von anderswoher, und die in eine Frequenz umgewandelt werden sollen, welche Frequenz dann einfach über eine feste Zeitperiode gezählt werden kann, um ein digitales Signal zu erzeugen, das dem analogen Sensorausgang entspricht. Solch ein digitales Signal kann danach noch verlässlich über den Zweileiter-Bus zur Steuerung 30 übertragen werden.
  • [0052]
    Die im hermetisch abgedichteten Abschnitt der Vorrichtung eingeschlossene Schaltung der Vorrichtung 30 kann verschiedene und variable Formen annehmen. Die 5A, 5B und 5C zeigen drei dieser Varianten. 5A ist z. B. ein Funktionsblockschaltbild einer grundlegenden Konfiguration der Steuerungs/Schnittstellenschaltung 50 dargestellt, die mit einem einzelnen Sensor 52 verwendet werden kann. Die strichlierte Linie 54 repräsentiert eine hermetische Dichtung, die die Schaltung 50 und den gesamten Sensor 52 bis auf einen Abschnitt hermetisch abdichtet. Die Eingangsanschlusspunkte 13 und 15 sowie die Ausgangsanschlusspunkt 17 und 19 sind nicht hermetisch abgedichtet, wodurch sich diese Anschlusspunkte einfach mit den beiden Leitern 14 und 16 (1) des Steuerungselements 20 verbinden lassen.
  • [0053]
    Wie in der 5A ersichtlich ist, sind die Anschlusspunkte 13 und 15 mit zugehörigen Leiterbahnen mit der Bezeichnung LEITUNG 1 (EINGANG) und LEITUNG 2 (EINGANG) verbunden, welche die zwei Leiter der Zweileiter-Busleitung, die die Vorrichtung 30 mit ihrer Steuerung 20 verbindet, oder mit anderen Vorrichtungen. Jede dieser Leiterbahnen LEITUNG 1 oder LEITUNG 2 erstreckt sich durch zugehörige Durchführungen 53 und 55 in den hermetisch abgedichteten Abschnitt der Schaltung 50. Anschlusspunkte 17 und 19 auf der anderen Seite der Schaltung sind ebenso mit zugehörigen Leiterbahnen mit der Bezeichnung LEITUNG 1 (AUSGANG) und LEITUNG 2 (AUSGANG) verbunden, und jede dieser Leiterbahnen erstreckt sich durch zugehörige Durchführungen 57 und 59 in den hermetisch abgedichteten Abschnitt 54 der Schaltung 50. Innerhalb des hermetisch abgedichteten Abschnitts ist die LEITUNG 1 (EINGANG) über die Leiterbahn 56 mit der LEITUNG 1 (AUSGANG) und die LEITUNG 2 (EINGANG) über die Leiterbahn 58 mit der LEITUNG 2 (AUSGANG) verbunden. Dadurch ist der Anschlusspunkt 13 über die Bahn 56, die durch den zwischen den Durchführungen 53 und 57 liegenden hermetisch abgedichteten Abschnitt 54 verläuft, mit dem Anschlusspunkt 17 verbunden. Diese Verbindung zwischen Anschlusspunkt 13, Bahn 56 und Anschlusspunkt 57 kann einfach als LEITUNG 1 bezeichnet werden. Auf ähnliche Art ist der Anschlusspunkt 15 über die Bahn 58 elektrisch mit dem Anschlusspunkt 19 verbunden, wobei die Bahn ebenfalls durch den zwischen den Durchführungen 55 und 59 liegenden hermetisch abgedichteten Bereich 54 verläuft. Diese Verbindung kann einfach als LEITUNG 2 bezeichnet werden.
  • [0054]
    Wie in 5A ersichtlich ist, ist zwischen der LEITUNG 1 und der LEITUNG 2 eine Leistungsgleichrichtungsschaltung geschaltet. Diese Schaltung extrahiert und richtet jeden Signalimpuls, der auf der LEITUNG 1 und der LEITUNG 2 auftritt, gleich und erzeugt eine Betriebsspannung, +V und –V, zum Versorgen der Schaltung 50. Das Gleichrichten ist angesichts der schwachen Signale, die im Allgemeinen auf der LEITUNG 1 und der LEITUNG 2 auftreten, keine einfache Aufgabe. Details eines solchen Schaltkreises können in US-A-5999849 gefunden werden.
  • [0055]
    Zwischen der LEITUNG 1 und der LEITUNG 2 ist auch eine Leitungsschnittstellenschaltung 62 geschaltet. Die Schaltung 62 dient als Schnittstelle zwischen der Schaltung 50, der LEITUNG 1 und der LEITUNG 2. Dafür empfängt die Schnittstellenschaltung 50 hereinkommende Datenimpulse auf LEITUNG 1/LEITUNG 2 und erzeugt daraus ein DATEN-EINGANG-Signal auf Leitung 64. Die Schnittstellen schaltung 62 erzeugt zudem ein Taktsignal (CLK) auf der Leitung 66, das mit den hereinkommenden Datensignalen synchronisiert wird. Die Schnittstellenschaltung 50 empfängt auch digitale Ausgangsdaten, DATEN-AUSGANG, von einem Zähler 68, und wandelt diese Ausgangsdaten in ein geeignetes Format um, bevor die Ausgangsdaten wieder an die LEITUNG 1/LEITUNG 2 abgegeben werden. Ein Typ an Leitungsschnittstellenschaltung 62, der in der Schaltung 50 verwendet werden kann, ist im schematischen Diagramm der 9 veranschaulicht und wird untenstehend in Verbindung mit dieser erläutert.
  • [0056]
    Immer noch bezugnehmend auf 5A kann als Sensor 52 ein beliebiger geeigneter implantierbarer Sensor eingesetzt werden, der für das Abfühlen eines gewünschten Zustands, Parameters oder Substanz ausgebildet ist, welche im implantierbaren Gewebe, in das die Vorrichtung 30 implantiert wird, vorhanden sind (oder nicht vorhanden sind. Der Sensor 52 kann z. B. einen Glukosesensor umfassen, der auf der Leitung 69 einen analogen Ausgangsstrom I erzeugt, dessen Größenordnung als Funktion des gemessenen Glukose-Gehalts variiert.
  • [0057]
    Aus praktischen Gründen erzeugt der Sensor 52, egal was für eine Art von Sensor verwendet wird, normalerweise entweder eine analoge Ausgangsspannung oder einen analogen Ausgangsstrom als Funktion der Konzentration, Größenordnung, Zusammensetzung oder eines anderen Attributs des zu messenden Parameters. Analogstrom oder Analogspannung können dann mittels einer geeigneten Wandlerschaltung 70 in ein Frequenzsignal auf der Leitung 72 umgewandelt werden. Das Frequenzsignal auf Leitung 72 umfasst typischerweise eine Abfolge von Impulsen mit einer Frequenz (oder Wiederholungsrate), die als Funktion der Eingangsspannung oder des Eingangsstroms variiert. In 5A wird z. B. angenommen, dass der Sensor 52 einen Ausgangsstrom I erzeugt, und die Wandlerschaltung 70 eine Strom-Frequenz-Wandlerschaltung (I/F) umfasst, die auf der Leitung 72 eine Abfolge von Ausgangsimpulsen erzeugt, deren Frequenz variiert, wenn sich die Größenordnung des Stroms I ändert. Es ist diese I/F-Wandlerschaltung 70 oder eine äquivalente Wandlerschaltung, die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung umfasst.
  • [0058]
    Wenn eine Impulsabfolge 72, oder ein anderes Wechselstromsignal, mit einer Frequenz erzeugt wird, die sich als Funktion des durch den Sensor 52 gemessenen Parameters verändert, wird dieses Signal an einen Zähler 68 angelegt. (Es ist zu beachten, dass ein Signal, das auf einer Signalleitung mit einem gegebenen Bezugszeichen auftritt, in dieser Anwendung als Abkürzung als Signal mit diesem gegebenen Bezugszeichen bezeichnet werden kann, d. h. das Signal auf der Signalleitung 72 kann einfach als „Signal 72" bezeichnet werden). Der Zähler zählt die Anzahl der Impulse, die im Signal 72 in einer bestimmten Zeitspanne, z. B. einem fixen Zeitfenster von 1 s, auftreten, wodurch ein Maß für die Frequenz des Signals 72 bereitgestellt wird. Durch das Zurücksetzen des Zählers 68 zu Beginn jedes Messzeitraums, stellt der Zählerstand des Zählers am Ende des Messzeitraums ein Signal bereit, das repräsentativ für die Frequenz des Signals 72 ist. Ein solches Zählsignal kann daher, für die in 5A dargestellte grundlegende Ausführungsform, als das Ausgangsdatensignal DATEN-AUSGANG dienen, das über die Signalleitung 74 an die Leitungsschnittstellenschaltung 62 gesendet wird.
  • [0059]
    Die Steuerung des Zählers 68, d. h. das Zurücksetzen des Zählers und/oder Stoppen des Zählers nach einem vorbestimmten Messzeitraum, erfolgt durch die Steuerlogik 76. In einer einfachen Ausführungsform kann der Messzeitraum eine fixe Zeitspanne umfassen. In anderen Ausführungsformen kann der Messzeitraum von den von der Leitungsschnittstellenschaltung 62 über die Signalleitung 64 empfangenen Eingangsdaten festgesetzt werden. Das Taktsignal 66 kann als ein Maß für die verstrichene Zeit sein, sowie das Senden des DATEN-AUSGANG-Signals 74 vom Zähler 68 an die Leitungsschnittstellenschaltung 62 koordinieren.
  • [0060]
    Je nach Bedarf erzeugt ein Spannungsgeneratorkreis 78 eine Referenzspannung VREF sowie ein oder mehrere Ansteuersignale VBIAS, auf die die Strom-Frequenz-Wandlerschaltung 70 (I/F) zurückgreift, wenn sie ihre Funktion ausübt und das Analogstromsignal 69 in ein Frequenzsignal 72 umwandelt, wie untenstehend in Verbindung mit den 9 und 10 detaillierter beschrieben wird.
  • [0061]
    Ähnlich können auch eine oder mehrere I/F-Wandlerschaltungen in den in den 5B und 5C veranschaulichten Vorrichtungen wie in der US-A-5999848 beschrieben verwendet werden.
  • [0062]
    Noch einmal bezugnehmend auf 2, wo eine Vielzahl an implantierbaren, durch Prioritätsverkettung verknüpfbare Sensoren 18a, 18b ... 18n hintereinander geschaltet dargestellt sind, ist eine bevorzugte Betriebsweise des Steuerungselements 20, Betriebsstrom bereitzustellen sowie jede der Vorrichtungen 18, die über eine Zwei-Leiter-Busleitung bestehend aus den Leitern 14 und 16 mit diesem verbunden sind, einzeln anzusprechen und Daten an diese zu senden sowie von diesen zu empfangen. Eine Art wie diese Stromversorgung und individuelle Adressierung erfolgen kann, ist in Verbindung mit den 6, 7 und 8 dargestellt. 6 veranschaulicht z. B. ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein bevorzugtes Verhältnis zwischen Eingangsdaten (obere Wellenform), die an die implantierbare Vorrichtung gesendet werden, und Ausgangsdaten (untere Wellenform), die von den implantierbaren Vorrichtungen empfangen werden, zeigt, da solche Daten auf den beiden LEITUNG-1/LEITUNG-2-Leitern auftreten würden, die sämtliche Vorrichtungen miteinander verbinden. Wie in 6 ersichtlich ist, besteht die bevorzugte Form der Eingangsdaten in zweiphasigen Impulsen. Jeder zweiphasige Impuls umfasst einen ersten Stromimpuls mit einer ersten Polarität, gefolgt von einem zweiten Stromimpuls derselben Größenordnung jedoch mit gegenteiliger Polarität. Somit beträgt der Nettostrom jedes zweiphasigen Impulses vorzugsweise null, wobei der positive Stromimpuls den negativen Stromimpuls wirksam ausgleicht.
  • [0063]
    Eine binäre oder logische „1" wird durch einen zweiphasigen Impuls einer Phase, z. B. ein positiver Stromimpuls gefolgt von einem negativen Stromimpuls, dargestellt, während eine binäre oder logische „0" durch einen zweiphasigen Impuls mit entgegengesetzter Phase, z. B. ein negativer Impuls gefolgt von einem positiven Impuls, repräsentiert wird. Somit kann, wie in 6 ersichtlich ist, eine binäre „1" durch einen positiven Stromimpuls gefolgt von einem negativen Stromimpuls repräsentiert werden, während eine binäre „0" durch einen negativen Stromimpuls gefolgt von einem positiven Stromimpuls dargestellt wird.
  • [0064]
    In 6 ist zudem ersichtlich, dass die bevorzugte Form der Ausgangsdaten ebenfalls ein zweiphasiger Impuls ist, wobei die Amplitude als eine Funktion davon moduliert (oder vorzugsweise ein-aus moduliert ist), ob die Ausgangsdaten eine binäre „1" oder „0" sind. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Spitzenamplitude des Ausgangsdatenimpulses für eine binäre „1" IP, während die Spitzenamplitude des Ausgangsdatenimpulses für eine binäre „0" null ist. Somit repräsentiert in diesem bevorzugten EIN/AUS-Modulationsschema ein vorhandener Ausgangsdatenimpuls eine binäre „1" und ein fehlender Ausgangsdatenimpuls eine binäre „0". Die Ausgangsdatenimpulse werden in den auf den LEITUNG-1/LEITUNG-2-Leiterimpulsen auftretenden Datenstrom zu einer bestimmten Zeit T2 nach dem Eingangsdatenimpuls eingeführt, so dass sie als Zeitmultiplex zwischen den Eingangsdatenimpulsen auftreten. Obwohl die bevorzugte Form der Ausgangsdatenimpulse ein zweiphasiger Impuls ist (um eine Stromausgleichung zu erreichen), ist festzustellen, dass in manchen Fällen auch ein einphasiger Impuls zum Zeitpunkt T2 (mit einer Amplitude IP oder null) verwendet werden kann.
  • [0065]
    Wie in den 7 und 8 dargestellt ist, sind die durch das Steuerungselement über die LEITUNG-1-/LEITUNG-2-Leiter gesendeten Eingangsdaten in Datenrahmen der Länge T3 unterteilt. Innerhalb jedes Datenrahmen sind N Datenbits zu finden, wobei N eine ganze Zahl üblicherweise von 8 bis 64 ist. In 7 ist eine repräsentative Zuordnung der in einem Datenrahmen vorhandenen Datenbits veranschaulicht.
  • [0066]
    Da die Eingangsdaten zweiphasige Impulse umfassen, die in regelmäßigen Intervallen oder Zeiteinheiten (z. B. alle T1 Sekunden) auftreten, kann die in diesen Impulsen enthaltene Energie dazu verwendet werden, Betriebsstrom für die Schaltungen innerhalb der Vorrichtung 50'' bereitzustellen. Dies wird durch die Verwendung der Gleichrichterschaltung 60, 60' oder 60'' (5A, 5B oder 5C) erreicht.
  • [0067]
    Die Eingangs- und Ausgangsdatenimpulse, wie sie in den 6 und 8 dargestellt sind, werden durch die Leitungsschnittstellenschaltung 62, 62' oder 62'' (5A, 5B oder 5C) erzeugt. Eine schematische Darstellung einer bevorzugten Leitungsschnittstellenschaltung ist in der US-A-5999848 beschrieben. Siehe insbesondere 9 des Verweises und den zugehörigen Begleittext.
  • [0068]
    Bezugnehmend auf die 9 ist ein Blockschaltbild einer Niedrigleistungs-Strom/Frequenz-Wandlerschaltung 150 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie in 9 ersichtlich, schließt der Niedrigleistungs-Strom/Frequenz-Wandler 150 vier Hauptfunktionskomponenten ein. Diese vier Hauptfunktionskomponenten schließen Folgendes ein: (1) einen Operationsverstärker 152 mit einem positiven Eingangsanschluss 153a und einem negativen Eingangsanschluss 153b und einem Ausgangsanschluss 154; (2) einen Kondensator (C4), der mit dem positiven Eingangsanschluss 153a des Operationsverstärkers 152 verbunden ist; (3) eine spannungsgesteuerte Oszillator-(VCO-)Schaltung 156 mit einem spannungsgesteuerten Eingangsanschluss und einem VCO-Ausgangsanschluss, wobei der VCO-Eingangsanschluss mit dem Ausgangsanschluss 154 des Operationsverstärkers 154 verbunden ist und der VCO-Ausgangsanschluss ein variables Frequenzsignal FOUT bereitstellt; und (4) einen Ladungspumpschaltung 158, die mit dem Kondensator C4 gekoppelt ist (d. h. auch mit dem positiven Eingangsanschluss 153a des Operationsverstärkers 152 verbunden ist).
  • [0069]
    Im Betrieb lädt das analoge Eingangssignal IIN den Kondensator C4 auf. Die Ladungsmenge, die sich im Kondensator C4 ansammelt, ist eine Funktion der Größenordnung des Eingangsstroms IIN, der einen Messwert des Parameters oder eines anderen Zustands, der vom Sensor abgefühlt wird oder anderweitig in der implantierbaren Vorrichtung 30 überwacht wird, wiederspiegelt. Die Ladungspumpschaltung 158 pumpt während jedem Zyklus des durch den VCO 156 erzeugten FOUT-Signals eine diskrete Ladung (d. h. eine fixe Anzahl an Coulomb) vom Kondensator C4 ab. Der Operationsverstärker 152 führt eine Differentialverstärkung eines zwischen die beiden Eingangsanschlüsse 153a und 153b angelegten elektrischen Signals durch, um auf seinem Ausgangsanschluss 154 ein verstärktes Ausgangssignal zu erzeugen. Da der negative Ausgangsanschluss 153b geerdet ist, ist das an den Operationsverstärker 152 angelegte Differentialeingangssignal effektiv die Ladungsmenge oder Spannung, die im Kondensator C4 angehäuft wurde. Das verstärkte Ausgangssignal des Operationsverstärkers 152 umfasst eine Spannung, die als Funktion des Eingangsstroms IIN variiert. Diese verstärkte Ausgangssignal wird an den VCO 156 als Steuerungsspannung angelegt, was dazu führt, dass das Frequenzausgangssignal FOUT des VCO eine Frequenz aufweist, die als Funktion des Eingangsstroms IIN variiert.
  • [0070]
    Das Ausgangsfrequenzsignal des VCO FOUT, das als variables Frequenzausgangssignal FOUT erhältlich ist sowie über einen vorbestimmten Zeitraum gezählt werden kann (wie oben in Zusammenhang mit 5A beschrieben), wird ebenfalls an die Ladungspumpschaltung 158 angelegt. Dieses Ausgangsfrequenzsignal FOUT umfasst üblicherweise eine Impulsfolge, deren Frequenz als Funktion der Größe einer an den Spannungssteuerungseingang angelegten Spannung variiert. Mit jedem Impuls der variablen Frequenzimpulsfolge FOUT pumpt die Ladungspumpschaltung 158 eine diskrete Ladung vom Kondensator C4 ab. Es ist ersichtlich, dass der Eingangsstrom IIN zu einer Ansammlung einer Ladung auf dem Kondensator C4 führt, welche dazu neigt, die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 152 erhöhen, so dass die Frequenz des FOUT-Ausgangssignals steigt. Diese erhöhte Frequenz verursacht wiederum, dass die Ladung vom Kondensator C4 abgepumpt wird, zunimmt (oder mit einer erhöhten Rate auftritt). Das Nettoergebnis ist, dass der Operationsverstärker 152 durch das Verstärken der auf dem Kondensator C4 angehäuften Ladung die Frequenz des FOUT-Signals auf die jeweils notwendige Rate bringt, um die Nettoladung des Kondensators C4 bei im Wesentlichen null zu halten. Dadurch variiert die Frequenz des FOUT-Signals als Funktion der Größe des elektrischen Stroms IIN, der an den Kondensator C4 angelegt ist, und die erwünschte Strom/Frequenz-(I/F)Wandlung wird vollzogen.
  • [0071]
    Je nach Bedarf und wie untenstehend in Verbindung mit 10 umfassender erklärt, kann eine Spannungspufferungsschaltung 160 als Teil einer I/F- Wandlerschaltung 150 aus 9 dazu verwendet werden, eine stabile und isolierte Referenzspannung VREF zu erzeugen, die von der Ladungspumpschaltung 158 verwendet wird, wenn diese die Ladungspumpfunktion durchführt.
  • [0072]
    Obwohl weniger aufwendige I/F-Wandlerschaltungen als die in 9 dargestellte Schaltung 150 von Fachleuten auf dem Gebiet geplant werden könnten und geplant wurden, ist es ein vorteilhaftes Merkmal der I/F-Wandlerschaltung 150 in 9, dass sie durch Verwendung von Niedrigstrom-FET-Transistoren so konfiguriert werden kann, sehr wenig Strom zu verbrauchen. Eine derartige Niedrigstromkonfiguration ist in den 10A, 10B, 10C und 10D dargestellt und in Verbindung mit diesen beschrieben.
  • [0073]
    Bezugnehmend auf die 10A, 10B, 10C und 10D sind schematische und/oder logische Diagramme einer bevorzugten Niedrigleistungs-Strom/Frequenz-Wandlerschaltung gemäß der Ausführungsform, die derzeit als beste Umsetzungsform der Erfindung erachtet wird, dargestellt. Die I/F-Wandlerschaltung 150 wird vorzugsweise mit einer integrierten Miniaturschaltung (IC) umgesetzt, die z. B. mit spezifischen Kombinationen von N-Kanal- und P-Kanal-Feldeffekttransistoren (FETs), bezeichnet als „N-FET"- und „P-FET"-Transistoren, ausgestattet sind, die auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet sind und speziell für einen geringen Stromverbrauch entworfen wurden. Die bevorzugte Größe (Länge und Breite) jedes der relevanten N-FET- und P-FET-Transistoren ist, zusammen mit anderen wichtigen Komponentenmerkmalen, in Tabelle 1 aufgelistet. Die in Tabelle 1 angeführten N-FET- und P-FET-Abmessungen beziehen sich auf die relative Größe jedes Transistors, wie er auf dem Substrat der integrierten Schaltung ausgebildet ist. Genauer gesagt bedeutet ein N-FET mit einer Größe von z. B. „5/10", dass die Breite des Source-Drain-Kanals 5 Mikron (wobei „Mikron" für einen Mikrometer steht, geschrieben als 1 μm oder 1 × 10–6 Meter) und die Länge des Kanals 10 Mikron beträgt.
  • [0074]
    Diese Art der Beschreibung der verschiedenen N-FET- und P-FET-Transistoren (durch Dimension oder Größe), die in einer integrierten Schaltung verwendet werden, ist Fachleuten auf dem Gebiet der Halbleiterverarbeitung bekannt und für diese verständlich. Durch gezieltes Auswählen der Größe (Dimensionen) solcher Transistoren während der IC-Bearbeitungsschhritte kann die Leistung des FET-Transistors gesteuert oder an den jeweiligen Verwendungszweck des Transistors angepasst werden. Somit kann ein relativ „langer" N-FET mit einer Größe von z. B. 5/10 einen höheren Einschaltwiderstand aufweisen (und daher eine langsamere Einschaltzeit) als z. B. ein relativ „kurzer" N-FET mit einer Größe von 4/4.
  • TABELLE 1
    Figure 00230001
  • Figure 00240001
  • [0075]
    Im Allgemeinen besitzt, wie auf dem Gebiet bekannt ist, ein FET-Transistor drei Anschlüsse, „Source", „Drain" und „Gate". Die an den Gate-Anschluss angelegte Spannung steuert die Leitfähigkeit des Halbleiterkanals, der die Source- und Drain-Anschlüsse verbindet. Durch Steuern der Leitfähigkeit des Source-Drain-Kanals kann die durch den Kanal fließende Strommenge gesteuert werden, und zwar von einem Null-Strom bis zu einem Maximal-Strom (bestimmt durch den EIN-Widerstand und den verfügbaren Spannungsabfall über den Kanal). Häufig wird ein FET-Transistor als Schalter verwendet. Bei der Verwendung als Schalter ist der Widerstand des Source-Drain-Kanals, der durch die an den Gate-Anschluss angelegte Spannung gesteuert wird, entweder sehr gering (FET-Schalter auf EIN) oder sehr hoch (FET-Schalter auf AUS). Bei den in den Schaltungen der 10A, 10B und 10C verwendeten Arten von FETs tendiert die an das Gate eines P-FETs angelegte hohe Spannung dazu, den P-FET auszuschalten, während eine an das Gate eines N-FET angelegte hohe Spannung dazu neigt, den N-FET einzuschalten. In den 10A, 10B und 10C wird ein N-FET in klassischer FET-Form dargestellt, d. h. er erscheint im Allgemeinen als Vorwärts- oder Rückwärts-Blockbuchstabe „C" bestehend aus drei Segmenten, wobei ein Ende eines Segments von „C" die „Source" und ein Ende eines anderen Segments von „C" (das durch einen nahegelegenen Anschlusspunkt gekennzeichnet ist) die „Drain" umfasst. Das „Gate" wird als kurze Linie dargestellt, die parallel zum Mittelsegment von „C" verläuft, dieses jedoch nicht berührt. Ein P-FET ist auf dieselbe Art und Weise wie ein N-FET veranschaulicht, ausgenommen, dass eine diagonale Linie durch „C" gezeichnet ist.
  • [0076]
    In 10A ist ein bevorzugter Operationsverstärker (OP AMP) 152 schematisch dargestellt. P-FET M10 ist durch ein externes Referenzspannungssignal BIASP vorgespannt, so dass eine konstante Stromquelle mit wenigen Nano-Ampere für ein Differentialpaar an Transistoren M11 und M12 ausgebildet wird. So lange die an jedes Differentialpaar M11 und M12 angelegte Gate-Spannung gleich ist, wird der von der Stromquelle M10 stammende Strom gleich zwischen M11 und M12 aufgeteilt. N-FETs M13 und M14 sind permanent auf EIN vorgespannt, um einen Stromspiegel bereitzustellen, der effektiv als fixe Ladung für das Differentialpaar M11 und M12 dient. Der Gate-Anschluss von M11 ist mit einer Seite des Speicherkondensators C4 verbunden. Die andere Seite des Kondensators C4 ist geerdet (verbunden mit V–). Der Gate-Anschluss von M12 ist mit dem Boden verbunden (V–). Der Eingangsanschluss des OP AMP 152 umfasst das Gate von M11. Daher beginnt ein beliebiger Eingangsstrom IIN, der in den Operationsverstärker fließt, den Kondensator C4 aufzuladen, wodurch eine Spannung auf dem Gate von M11 verursacht wird, die sich von der an das Gate von M12 angelegten Spannung unterscheidet. Da der Transistor M11 ein P-FET-Transistor ist, tendiert eine höhere Gate-Spannung (die auftreten würde, wenn ein Eingangsstrom IIN den Kondensator C4 aufzuladen beginnt) M11 in den AUS-Zustand zu bringen (erhöht dessen Widerstand). Die Erhöhung des Widerstands wiederum führt dazu, dass der konstante Strom von der Stromquelle M10 ungleichmäßig zwischen den beiden M11/M12-Pfaden aufgeteilt wird. Genauer gesagt verursacht eine Erhöhung der an das Gate von M11 angelegten Eingangsspannung (durch Anlegen eines Eingangsstroms IIN, um den Kondensator C4 aufzuladen) einen erhöhten Stromfluss durch den M12-Arm des Operationsverstärkers, wodurch die Ausgangsspannung VOUT (die die Spannung an der Drain von M12 ist) auf der Signalleitung 154, gemessen relativ zum Boden (V–), gesteigert wird. Durch geeignetes Auswählen des Werts des effektiven Ladungswiderstands (M14) im M12-Arm des Operationsverstärkers und unter Annahme der gegebenen Leistungscharakteristika für das M11/M12-Transistorpaar kann die „Verstärkung" des Operationsverstärkers (wobei „Verstärkung" im Zusammenhang mit dem in 10A dargestellten Operationsverstärker als Verhältnis von VOUT/VIN definiert ist, wobei VIN die durch den Strom IIN auf dem Kondensator C4 entwickelte Spannung ist) ausreichend groß gemacht werden, um den insgesamt gewünschten Betrieb der I/F-Schaltung zu unterstützen.
  • [0077]
    Wenn die Eingangssignale an das M11/M12-Differentialpaar auf null oder nahe null gehalten werden kann und mit der Kombination an Schwellen-BIASP plus Spannung, die an den Körper (oder das Substrat) der P-FETs angelegt ist (und üblicherweise V+ oder etwa 3 Volt ist), kann sich die Ausgangsspannung VOUT des Operationsverstärkers 152 von nahe Erd- bzw. Massepotential (V–) bis etwa 1,5 Volt bewegen. Ein Kondensator C3 ist zwischen den Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers (Drain von M12) angelegt und filtert diese Ausgangsspannung zu einem gewünschten Ausmaß.
  • [0078]
    Die Ausgangsspannung VOUT des OP AMP 152 (10A) auf der Signalleitung 154 wird an den Steuerungsspannungseingang des VCO 156 angelegt. Ein Schema- /Logikdiagramm eines bevorzugten Niedrigleistungs-VCO ist in 10C veranschaulicht, und ein Zeitsteuerungs-Wellenformdiagramm, das den grundlegenden Betrieb des VCO 156 veranschaulicht, ist in 10D dargestellt. Der Einfachheit halber sind Gates 162 bis 174, die im Niedrigleistungs-VCO von 10C eingeschlossen sind (und als kreuzgekoppeltes Latch mit Aktiv-HIGH-Eingängen konfiguriert sind), in Form eines Logikdiagramms dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass solche Gates vorzugsweise unter Verwendung zusätzlicher N-FET und P-FET-Transistoren konfiguriert sind, wie es auf dem Gebiet bekannt ist.
  • [0079]
    Die Betriebsweise des VCO ist am besten verständlich, wenn betrachtet wird, was direkt nachdem das Ausgangssignal des Gates 172 (in den 10C und 10D als CLKB bezeichnet) den Zustand HIGH annimmt passiert. Dadurch wird M15 ausgeschaltet und ermöglicht es der Drain von M15 (der derselbe Punkt wie die Drain von M16 ist), sich in Richtung Erdpotential (V–) zu neigen, wie in 10D ersichtlich ist. Der Anstieg der Rampe hängt von der kapazitativen Impedanz des Drain-Knotens und vom Drain-Strom (und daher der Gate-Spannung) von M16 ab. Wenn sich die Drain-Spannung von M15/M16 auf etwa einen Schwellenwert unter V+ abfällt, nimmt der P-FET M21 den EIN-Zustand an, wodurch das Eingangssignal an Gate 164 über die Signalleitung 176 (10C) positiv wird. Wenn die Logikschwelle des Gates 164 erreicht ist, nimmt das Ausgangssignal des Gates 164 den LOW-Zustand an, wodurch M24 (über die Signalleitung 178) eingeschaltet wird. Dieser Vorgang führt zu Hysterese indem das auf den HIGH-Zustand zusteuernde Signal am Eingang des Gates 164 (über die Signalleitung 176) verstärkt wird. Kurze Zeit später erreicht das Ausgangssignal die Logikschwelle von Gate 170 und der Latch (d. h. der kreuzgekoppelte Latch mit Aktiv-HIGH-Eingängen bestehend aus Gates 162172) seinen Zustand verändert.
  • [0080]
    Wenn der Zustand des kreuzgekoppelten Latches umgeschaltet worden ist, nimmt das Ausgangssignal des Gates 172 den LOW-Zustand und das Ausgangssignal des Gates 168 (CLKA) den HIGH-Zustand an, und die Sequenz wiederholt sich, jedoch mit M18, M25 und Gate 162 im Signalpfad. Während der Wiederholungszeit bleibt die Drain von M15/16 auf HIGH, während sich die Drain von M18 (die derselbe Punkt wie die Drain von M19 ist) in einer Geschwindigkeit in Richtung Erdpotential (V–) abfällt, die von der kapazitativen Impedanz am Drain-Knoten und des Drain-Stroms (und daher der Drain-Spannung) von M19 abhängt. Wie in 10D ersichtlich ist, führt dies zur Erzeugung zweier komplementärer Taktsignale CLKA und CLKB, wobei aus dem CLKB-Signal ein Ausgangssignal FOUT abgeleitet wird, gepuffert durch das Inverter-Gate 174.
  • [0081]
    Während der oben beschriebenen Betriebsweise dienen N-FETs M17 und M20 als Stromquellen, die den Kapazitäts-Ladungsstrom im VCO auf etwa 50 nA beschränken. Durch das Beschränken wird eine Sperrleitung verhindert, die ansonsten auftreten würde, wenn der VCO über seiner normalen Maximalfrequenz betrieben werden möchte.
  • [0082]
    Es ist festzustellen, dass das in 10C dargestellte Frequenz-Spannungsverhältnis des VCO nicht linear ist (da es vom Drain-Strom als Funktion der Gate-Spannungen der N-FETs M16 und M19 abhängig ist). Wie aus der Beschreibung der Betriebsweise des gesamten I/F-Wandlers ersichtlich ist, hängt die gesamte Strom/Frequenz-Linearität nur von der Wiederholbarkeit des Ladungspumpens ab, und das ist, wie untenstehend beschrieben, so gestaltet, dass mit jedem Kippen des VCO eine fixe Ladung von weniger als 10 Pico-Coulomb, z. B. etwa 6 Pico-Coulomb (pC), gepumpt wird.
  • [0083]
    Ein besonderes Merkmal des in 10C dargestellten VCO besteht darin, dass die NOR-Gates 162 und 164 jeweils einen Serien-Vorspannungs-FET beinhalten, der den Versorgungsstrom auf weniger als 100 nA beschränkt, wenn die Logikeingangssignale bei Spannungen zwischen den Versorgungsschienen, d. h. zwischen V+ und V–, liegen.
  • [0084]
    Wie in der unteren Hälfte von 10B ersichtlich ist, steuern die CLKA- und CLKB-Signale die Ladungspumpschaltung 158 an. Die Ladungspumpschaltung 158 schließt acht N-FET-Transistoren M1 bis M8 ein. Im Betrieb gibt die Ladungspumpschaltung Ladungspakete mit fixer Größe über die Signalleitung 180 an den Schaltungseingangsknoten ab. Die Ladungsmenge hängt vom Wert des Kondensators C1 und C2 und der Referenzspannung VREF ab. Die Referenzspannung VREF umfasst eine gepufferte Referenzspannung, die von der Spannungspufferungsschaltung 160 erzeugt wird, wie in der unteren Hälfte von 10B dargestellt. Weitere von der I/F-Wandlerschaltung 150 verwendete Referenzspannungen schließen eine ungepufferte Referenzspannung VR, eine BIASP-Referenzspannung und eine BIASN-Referenzspannung ein. Die BIASP-Referenzspannung schließt einen Strombegrenzer (d. h. einen Pull up-Widerstand) ein, der mit diesem in Reihe geschaltet ist, der den Strom von der BIASP-Referenzspannung auf weniger als etwa 100 nA begrenzt.
  • [0085]
    Die Ladungspumpschaltung 158 wird wie folgt betrieben, wenn der VCO den Zustand CLKA LOW und CLKB HIGH, M3 und M4 EIN und M1 und M2 AUS aufweist: Der Kondensator C1 lädt die Referenzspannung VREF auf. Wenn der Zustand des VCO gekippt wird, d. h. wenn CLKA den HIGH-Zustand und CLKB den LOW-Zustand, M3 und M4 den AUS-Zustand sowie M1 und M2 den EIN-Zustand annehmen, führt dies dazu, dass sich C1 über die Signalleitung 180 (die mit dem Eingang des OP AMP 152 verbunden ist) entlädt, wodurch die ansonsten auf den HIGH-Zustand zusteuernde Signalleitung wieder in Richtung Erdpotential (V–) zurückgezogen wird (beachte, dass der Eingangsstrom IIN den Kondensator C4 auflädt).
  • [0086]
    Der zweite Kondensator C2 ist mit dem ersten Kondensator C1 in Reihe geschaltet. Das heißt, während sich der Kondensator C1 auf VREF auflädt, entlädt sich der Kondensator C2 über die Signalleitung 180 wieder auf Erde (V–). Während sich der Kondensator C2 auf VREF auflädt, entlädt sich der Kondensator C1 über die Signalleitung 180 wieder auf Erdpotential. Jedes Mal wenn C1 oder C2 sich entladen, wird Ladung vom Eingangskondensator C4 über die Signalleitung 180 abgezogen. Das Nettoergebnis ist, dass der I/F-Wandler am Eingangsanschluss 153a des OP AMP 152 dieselbe Spannung wie am Eingangsanschluss 153b aufrecht erhält, und die V– ist (Erde).
  • [0087]
    Es ist ersichtlich, dass mit jedem Umschalten des VCO ein Ladungspaket vom Eingangskondensator C4 abgepumpt wird. Da diese Ladungspakete den einzigen vom Sensor fließenden Strom darstellen und sie alle dieselbe Größe haben, steht ihre Frequenz in direktem Zusammenhang mit dem Eingangsstrom IIN.
  • [0088]
    Die Größe der verschiedenen in der Ladungspumpschaltung 158 verwendeten FETs und des VCO 156 ist so gewählt, dass die Kondensatoren C1 und C2 während jeder VCO-Betriebsphase, selbst bei den höchsten Frequenzen im normalen Betrieb, komplett aufgeladen und entladen werden. Die Zeitsteuerung der beiden VCO-Ausgangssignale CLKA und CLKB stellt sicher, dass auf den mit den Ladungspumpkondensatoren C1 und C2 verbundenen Schaltern ein Öffner-vor-Schließer-Vorgang ausgeführt wird.
  • [0089]
    Zusammenfassend wird der gesamte Sensorstrom IIN, der im Kondensator C4 angesammelt wird, durch die Ladungspumpschaltung vom Kondensator C4 abgepumpt. Sobald der Eingangsstrom IIN versucht, den Schaltungseingangsanschluss 153a von Erde wegzuziehen, beschleunigt der Operationsverstärkerausgangsanschluss den VCO, was wiederum zu mehr negativen Ladungspaketen führt, die von der Ladungspumpe 158 abgegeben werden, wodurch der Schaltungseingangsanschluss 153 zurück auf Erde gedrückt wird.
  • [0090]
    Um eine Kreuzkopplung aufgrund vorübergehender Ladung von VREF zu verhindern, wird die Spannungspufferungsschaltung 160 verwendet. Eine solche Pufferungsschaltung umfasst, wie in der oberen Hälfte von 10B ersichtlich, eine herkömmliche Operationsverstärker-Folgeschaltung, die sich aus FET-Transistoren M29–M35 zusammensetzt.
  • [0091]
    Der Gesamtstromverbrauch der in Zusammenhang mit 10 beschriebenen I/F-Wandlerschaltung beträgt nur etwa 1,8 Mikrowatt (unter Annahme einer Betriebsspannung von 3 Volt und einem Betriebsstrom von 600 nA). Der Ruhebetriebsstrom der Vorrichtung liegt unter etwa 100 nA. Ein solcher Niedrigleistungsbetrieb ist eines der herausragenden Merkmale der I/F-Wandlerschaltung der vorliegenden Erfindung.
  • [0092]
    Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung ist, dass der Eingangsanschluss der I/F-Wandlerschaltung 150 – der Anschluss 153a des OP AMP 152 – im Wesentlichen auf Erdspannung gehalten wird, ohne dass eine zweite Spannungszufuhr notwendig ist. Das heißt in einem herkömmlichen Operationsverstärker wäre, um die Eingänge auf null Volt zu halten, eine Vorspannung des Operationsverstärkers mit einer Spannung über null, z. B. 5 Volt, und einer Spannung unter null, z. B. – 5 Volt, notwendig, was die Verwendung zweier getrennter Spannungsversorgungen erforderlich machen würde. Durch Verwendung der Ladungspumpe, wie in 10A ersichtlich, ist es möglich, die Eingänge bei null oder nahe null zu halten, obwohl der Operationsverstärker nur mit einer einzigen Versorgung zwischen V+ und V– (Erde) vorgespannt ist.
  • [0093]
    Wie oben beschrieben wurde, ist dadurch ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung eine Niedrigleistungs-Strom/Frequenz-Wandlerschaltung bereitstellt, die z. B. in einer implantierbaren Sensorvorrichtung verwendet werden kann, bei der ein niedriges Analogsignal, wie ein sehr kleiner elektrischer Gleichstrom, dessen Größe repräsentativ für einen abgefühlten Parameter oder eine abgefühlte Substanz ist, in einen digitalen Wert umgewandelt werden muss, der besser über eine gemeinsame Kommunikationssammelleitung an einen externen Empfänger übertragen werden kann.
  • [0094]
    Obwohl die hierin offenbarte Erfindung anhand von spezifischen Ausführungsformen und Anwendungen davon beschrieben worden ist, könnten Fachleute auf dem Gebiet zahlreiche Modifikationen und Variationen daran vornehmen, ohne dabei den in den nachfolgenden Ansprüchen erläuterten Schutzumfang der Erfindung zu überschreiten.

Claims (17)

  1. Niedrigleistungs-Strom/Frequenz- (I/F-) Wandlerschaltung zur Verwendung innerhalb einer implantierbaren Sensorvorrichtung, umfassend: einen Operationsverstärker (152) mit zwei Eingangsanschlüssen und einem Ausgangsanschluss, wobei der Operationsverstärker Mittel zur Differenzverstärkung eines elektrischen Signals umfasst, das zwischen seinen beiden Eingangsanschlüssen angelegt wird, um ein verstärktes Ausgangssignal bereitzustellen, das an seinem Ausgangsanschluss auftritt; einen ersten Kondensator (C4), der elektrisch zwischen einem ersten Eingangsanschluss des Operationsverstärkers (152) und einer niedrigen Bezugsspannung angeschlossen ist; eine spannungsgesteuerte Oszillator-(VCO-)Schaltung (156) mit einem spannungsgesteuerten Eingangsanschluss und einem VCO-Ausgangsanschluss, wobei der Spannungssteuerungseingangsanschluss an den Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers angeschlossen ist, wobei der VCO Mittel zum Erzeugen eines Frequenzausgangssignals FOUT mit einer Frequenz umfasst, die als Funktion der Größe einer Spannung variiert, die an den Spannungssteuerungseingang angelegt wird; und eine Ladungspumpschaltung (158), die mit dem ersten Kondensator (C4) gekoppelt ist, der eine diskrete Ladung durch Steuerung des vom VCO (156) erzeugten Frequenzausgangssignals FOUT vom ersten Kondensator abpumpt.
  2. Niedrigleistungs-I/F-Wandlerschaltung nach Anspruch 1, worin der Operationsverstärker (152), der VCO (156) und die Ladungspumpschaltung (158) alle unter Verwendung einer Versorgungsspannung mit einem ersten Anschluss V+ und einem zweiten Anschluss V– betrieben werden und worin die niedrige Bezugsspannung die Spannung an einem zweiten Eingangsanschluss des Operationsverstärkers (152) ist, der an V– angeschlossen ist.
  3. Niedrigleistungs-I/F-Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, worin die I/F-Wandlerschaltung aus Halbleiterschaltungskomponenten gebildet ist, die weniger als 600 Nano-Ampere (nA) Strom verbrauchen.
  4. Niedrigleistungs-I/F-Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die weiters Logikschaltungen umfasst, die auf das FOUT-Signal ansprechen, um die Ladungspumpschaltung (158) so zu steuern, dass sie die diskrete Ladung zumindest einmal während eines jeden Zyklus des FOUT-Signals vom ersten Kondensator (C4) abpumpt.
  5. Niedrigleistungs-I/F-Wandlerschaltung nach Anspruch 4, worin die vom ersten Kondensator (C4) zumindest einmal während eines jeden Zyklus des FOUT-Signals abgepumpte diskrete Ladung eine Ladung nicht über etwa 10 Pico-Coulomb umfasst.
  6. Niedrigleistungs-I/F-Wandlerschaltung nach Anspruch 4 oder 5, worin die Logikschaltungen ein erstes Taktsignal aus dem FOUT-Signal mit einer ersten Phase und einer zweiten Phase erzeugen und worin die Ladungspumpschaltung umfasst: Mittel zum Erzeugen einer Bezugsspannung VREF (160); einen zweiten Kondensator (C1); einen ersten Satz Schalter zum Laden des zweiten Kondensators (C1) auf die spezifizierte Bezugsspannung VREF während der ersten Phase des ersten Taktsignals; einen zweiten Satz Schalter zum Anschließen des zweiten Kondensators (C1) parallel zum ersten Kondensator (C4) mit entgegengesetzter Polarität während der zweiten Phase des ersten Taktsignals; und worin die VREF-Ladung, die sich während der ersten Phase des ersten Taktsignals im zweiten Kondensator (C1) ansammelt, während der zweiten Phase des ersten Taktsignals vom ersten Kondensator (C4) abgezogen wird.
  7. Niedrigleistungs-I/F-Wandlerschaltung nach Anspruch 6, worin die Logikschaltungen ein zweites Taktsignal aus dem FOUT-Signal erzeugen und worin die Ladungspumpschaltung weiters umfasst: einen dritten Kondensator (C2); zusätzliche Schalter als Teil des zweiten Satzes Schalter zum Laden des dritten Kondensators (C2) auf die angegebene Bezugsspannung VREF, wenn das zweite Taktsignal den Zustand LOW annimmt; zusätzliche Schalter als Teil des ersten Satzes Schalter zum Anschließen des dritten Kondensators (C2) parallel zum ersten Kondensator (C4) mit entgegengesetzter Polarität, wenn das zweite Taktsignal den Zustand HIGH annimmt; und wodurch die VREF-Ladung, die sich im dritten Kondensator (C2) ansammelt, wenn das zweite Taktsignal den Zustand LOW annimmt, vom ersten Kondensator (C4) abgezogen wird, wenn das zweite Taktsignal den Zustand HIGH annimmt.
  8. Implantierbarer Sensor, umfassend: einen Sensor, der einen Analogstrom als Funktion einer Substanz oder eines Parameters erzeugt, die bzw. der vom Sensor (52) abgefühlt wird; und eine Strom/Frequenz-(I/F-)Wandlerschaltung (150) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die den vom Sensor erzeugten Analogstrom in ein Frequenzsignal FOUT umwandelt, das eine Frequenz aufweist, die als Funktion des Analogstroms variiert, worin ein analoger elektrischer Strom vom Sensor (52), der in den ersten Kondensator (C4) eingeprägt wird, die Tendenz hat, zu bewirken, dass sich eine Ladung im ersten Kondensator (C4) als Funktion der Größe des elektrischen Stroms ansammelt, wobei die Ladung dazu tendiert, die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers (152) zu erhöhen, so dass die Frequenz des Signals FOUT erhöht wird, wobei diese erhöhte Frequenz bewirkt, dass Ladung vom ersten Kondensator (C4) mit einer erhöhten Geschwindigkeit abgepumpt wird, worin der Operationsverstärker (152) die Frequenz des FOUT-Signals auf jene Höhe hinbewegt, die erforderlich ist, um die Ladung im ersten Kondensator (C4) im Wesentlichen auf null zu halten, wodurch die Frequenz des VCO-Signals als Funktion der Größe des analogen elektrischen Stroms variiert, der in den ersten Kondensator (C4) eingeprägt wird.
  9. In einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung ein Niedrigleistungs-Strom/Frequenz-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin ein elektrischer Strom, der in den ersten Kondensator (C4) eingeprägt wird, die Tendenz hat, zu bewirken, dass sich eine Ladung als Funktion der Größe des elektrischen Stroms im ersten Kondensator ansammelt, wobei die Ladung die Tendenz hat, die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers (152) zu erhöhen, so dass die Frequenz des VCO-Signals erhöht wird, wobei die erhöhte VCO-Frequenz bewirkt, dass die Ladung mit einer erhöhten Geschwindigkeit vom ersten Kondensator (C4) abgepumpt wird, worin der Operationsverstärker (152) die Frequenz des VCO-Signals jene Höhe hinbewegt, die erforderlich ist, um die Ladung des ersten Kondensators (C4) im Wesentlichen auf null zu halten, wodurch die Frequenz des VCO-Signals als Funktion der Größe des an den ersten Kondensator angelegten elektrischen Stroms variiert.
  10. Niedrigleistungs-Strom/Frequenz-Wandler nach Anspruch 9, worin der Strom/Frequenz-Wandler weniger als etwa 600 Nano-Ampere (nA) Strom verbraucht.
  11. Niedrigleistungs-Strom/Frequenz-Wandler nach Anspruch 9 oder 10, der weiters eine Latch-Logikschaltung umfasst, die an den VCO (156) gekoppelt ist, um ein Taktsignal zu erzeugen, um die Ladungspumpschaltung (158) so zu steuern, dass sie die diskrete Ladung zumindest einmal während eines jeden Zyklus des Taktsignals vom ersten Kondensator (C4) abpumpt.
  12. Implantierbarer Sensor nach einem der Ansprüche 8 bis 11, worin sich der Strom/Frequenz-Wandler innerhalb des hermetisch abgedichteten Teils des implantierbaren Sensors (30) befindet, der einen hermetisch abgedichteten Teil (54) und einen nicht hermetisch abgedichteten Teil umfasst, wobei elektrische Durchkontaktierungen (53, 55, 57 und 59) elektrische Verbindungen zwischen dem hermetisch abgedichteten Teil (54) und dem nicht hermetisch abgedichteten Teil bereitstellen.
  13. Strom/Frequenz-(I/F-)Wandlerschaltung mit sehr niedriger Leistungsaufnahme zur Verwendung innerhalb einer implantierbaren Vorrichtung, umfassend: eine Schaltung nach Anspruch 1; Logikschaltungen, die auf das FOUT-Signal ansprechen, um die Ladungspumpschaltung (158) so zu steuern, dass sie die diskrete Ladung zumindest einmal während eines jeden Zyklus der FOUT-Signale vom ersten Kondensator (C4) abpumpt; die Wandlerschaltung, worin die diskrete Ladung, die zumindest einmal während eines jeden Zyklus des FOUT-Signals vom ersten Kondensator abgepumpt wird, eine Ladung nicht über etwa 10 Pico-Coulomb umfasst; die I/F-Wandlerschaltung, worin die Logikschaltungen ein erstes Taktsignal aus dem FOUT-Signal mit einer ersten Phase und einer zweiten Phase und ein zweites Taktsignal aus dem FOUT-Signal erzeugen, und worin die Ladungspumpschaltung (158) Mittel zum Erzeugen einer Bezugsspannung VREF umfasst; einen zweiten Kondensator (C1); einen ersten Satz Schalter, um den zweiten Kondensator (C1) während der ersten Phase des ersten Taktsignals auf die spezifizierte Bezugsspannung VREF zu laden; einen zweiten Satz Schalter, um den zweiten Kondensator (C1) während der zweiten Phase des ersten Taktsignals parallel zum ersten Kondensator (C4) mit entgegengesetzter Polarität anzuschließen; wodurch die VREF-Ladung, die sich während der ersten Phase des ersten Taktsignals im zweiten Kondensator (C1) ansammelt, während der zweiten Phase des ersten Taktsignals vom ersten Kondensator (C4) abgezogen wird; worin die Ladungspumpschaltung weiters umfasst: einen dritten Kondensator (C2); zusätzliche Schalter als Teil des zweiten Satzes Schalter, um den dritten Kondensator (C2) auf die spezifizierte Bezugsspannung VREF zu laden, wenn das zweite Taktsignal den Zustand LOW annimmt; zusätzliche Schalter als Teil des ersten Satzes Schalter, um den dritten Kondensator (C2) parallel zum ersten Kondensator (C4) mit entgegengesetzter Polarität anzuschließen, wenn das zweite Taktsignal den Zustand HIGH annimmt; und wodurch die VREF-Ladung, die sich im dritten Kondensator (C2) ansammelt, wenn das zweite Taktsignal den Zustand LOW annimmt, vom ersten Kondensator (C4) abgezogen wird, wenn das zweite Taktsignal den Zustand HIGH annimmt.
  14. Niedrigleistungs-I/F-Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die Ladungspumpschaltung die diskrete Ladung zumindest zweimal während eines jeden Zyklus des FOUT-Signals vom ersten Kondensator abpumpt.
  15. Niedrigleistungs-I/F-Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die Ladungspumpschaltung zwei Kondensatoren C1 und C2 umfasst, die die diskrete Ladung alternierend vom ersten Kondensator abpumpen.
  16. Niedrigleistungs-I/F-Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die Ladungspumpschaltung umfasst: eine Schaltung, die aus dem FOUT-Signal ein Taktsignal mit einer ersten Phase und einer zweiten Phase erzeugt; ein Mittel zum Erzeugen einer Bezugsspannung VREF (160); einen zweiten Kondensator (C1); einen dritten Kondensator (C2); worin während der ersten Phase des Taktsignals der zweite Kondensator auf die Bezugsspannung VREF geladen wird und worin während der zweiten Phase des Taktsignals der dritte Kondensator auf die Bezugsspannung VREF geladen wird; und worin während der zweiten Phase des Taktsignals die VREF-Ladung, die sich während der ersten Phase des Taktsignals im zweiten Kondensator ansammelt, vom ersten Kondensator (C4) abgezogen wird, und worin während der ersten Phase des Taktsignals die VREF-Ladung, die sich während der zweiten Phase des Taktsignals im dritten Kondensator ansammelt, vom ersten Kondensator (C4) abgezogen wird.
  17. Niedrigleistungs-I/F-Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die Ladungspumpschaltung umfasst: eine Schaltung, die aus dem FOUT-Signal zwei nicht überlappende Taktsignale ClkA und ClkB erzeugt; ein Mittel zum Erzeugen einer Bezugsspannung VREF (160); einen zweiten Kondensator (C1); einen dritten Kondensator (C2); worin, wenn ClkA den Zustand HIGH annimmt, der zweite Kondensator auf die Bezugsspannung VREF geladen wird, und worin, wenn ClkB den Zustand HIGH annimmt, der dritte Kondensator auf die Bezugsspannung VREf geladen wird; und worin wenn ClkB den Zustand HIGH annimmt, die VREF-Ladung, die sich im zweiten Kondensator ansammelt, vom ersten Kondensator (C4) abgezogen wird, und worin, wenn ClkA den Zustand HIGH annimmt, die VREF-Ladung, die sich im dritten Kondensator ansammelt, vom ersten Kondensator (C4) abgezogen wird.
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