DE19951488A1

DE19951488A1 - Leistungsverbrauchsverminderung bei medizinischen Geräten durch Verwendung unterschiedlicher Versorgungsspannungen

Info

Publication number: DE19951488A1
Application number: DE19951488A
Authority: DE
Inventors: David L Thompson
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 1998-10-28
Filing date: 1999-10-26
Publication date: 2000-05-25
Also published as: FR2788898B1; FR2788898A1; US6091987A

Abstract

Die Leistungsaufnahme bei medizinischen Vorrichtungen wird durch das Anlegen unterschiedlicher Versorgungsspannungen an analoge bzw. digitale Schaltungen verringert. Die medizinische Vorrichtung weist im allgemeinen analoge Schaltungen (beispielsweise einen atriellen Meßverstärker, einen ventrikulären Meßverstärker, einen T-Zacken-Verstärker, Bandpaßfilter, Erfassungsschaltungen, Sensorverstärkungsschaltungen, Verstärkungsschaltungen für physiologische Signale, Ausgangsschaltungen, eine Batterieüberwachungsschaltung und eine Einschalt-Rücksetz-Schaltung) sowie digitale Schaltungen (beispielsweise einen Prozessor, eine Steuereinrichtung und einen Speicher) auf, wobei die an die analogen Schaltungen angelegte Versorgungsspannung größer ist als diejenige, die an die digitalen Schaltungen angelegt wird. Eine Quelle legt eine erste feste Versorgungsspannung an die digitalen Schaltungen der medizinischen Vorrichtung an, und eine Spannungserzeugungsschaltung (beispielsweise eine Ladungspumpenschaltung), an die die erste feste Versorgungsspannung angelegt ist, wird zum Erzeugen einer zweiten festen Versorgungsspannung, die an analoge Schaltungen der medizinischen Vorrichtung anzulegen ist, verwendet.

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Leistungs aufnahme von Anordnungen integrierter Schaltungen in der Art von in medizinischen Vorrichtungen, insbesondere implantierbaren Vorrichtungen, verwendeten Schaltungen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Bereit stellen unterschiedlicher Versorgungsspannungen für analoge und digitale Schaltungsanordnungen zum Erreichen einer Verringerung der Leistungsaufnahme.

Hintergrund der Erfindung

Bei verschiedenen Vorrichtungen ist ein Betrieb mit einer niedrigen Leistungsaufnahme erforderlich. Beispielsweise ist bei tragbaren Kommunikationsvorrichtungen eine solche niedrige Leistungsaufnahme erforderlich, und es ist ins besondere bei implantierbaren medizinischen Vorrichtungen die Fähigkeit zu einem Betrieb bei niedriger Leistungs aufnahme erforderlich. Hinsichtlich implantierbarer medizi nischer Vorrichtungen, beispielsweise Mikroprozessor- gestützter implantierbarer kardialer Vorrichtungen, wie implantierbarer Schrittmacher und Defibrillatoren, sei bemerkt, daß sie bei niedrigerer Leistungsaufnahme arbeiten müssen, um die Batterielebensdauer und die Langlebigkeit der Vorrichtung zu erhöhen.

Solche Vorrichtungen mit niedriger Leistungsaufnahme sind im allgemeinen unter Verwendung der Technologie komplemen tärer Metalloxidhalbleiter (CMOS-Technologie) ausgelegt. Die CMOS-Technologie wird im allgemeinen verwendet, weil diese Technologie die Eigenschaft einer im wesentlichen verschwindenden "statischen" Leistungsaufnahme aufweist.

Die Leistungsaufnahme von CMOS-Schaltungen besteht im wesentlichen aus zwei Faktoren, nämlich der "dynamischen" Leistungsaufnahme und der statischen Leistungsaufnahme. Die statische Leistungsaufnahme ist ausschließlich auf Leck ströme zurückzuführen, weil der Ruhestrom dieser Schaltun gen null ist. Die dynamische Leistungsaufnahme ist der dominante Faktor der Leistungsaufnahme bei der CMOS-Techno logie. Die dynamische Leistungsaufnahme ist im wesentlichen auf den Strom zurückzuführen, der zum Laden interner Kapa zitäten und von Lastkapazitäten während des Schaltens, also zum Laden und Entladen dieser Kapazitäten, erforderlich ist. Die dynamische Leistung (P) ist äquivalent zu 1/2CV_DD ²F, wobei C eine Knotenkapazität ist, F die Takt- oder Schaltfrequenz ist und V_DD die Versorgungsspannung für die CMOS-Schaltung ist. Wie anhand der Formel zum Berechnen der dynamischen Leistung (P) ersichtlich ist, ist diese dynamische Leistungsaufnahme von CMOS-Schaltungen zum Quadrat der Versorgungsspannung (V_DD) proportional. Weiter hin ist die dynamische Leistung (P) zur Schalt- oder Takt frequenz (F) proportional.

Es war nach der Formel für die dynamische Leistungsaufnahme bei integrierten CMOS-Schaltungsanordnungen herkömmlicher weise wirksam, die Versorgungsspannung für eine ganze Vorrichtung (beispielsweise eine Hybridvorrichtung) oder eine integrierte Schaltung (IC) zu vermindern, also die Schaltung bei niedrigen Versorgungsspannungen zu betreiben, um die Leistungsaufnahme für solche Anordnungen zu verrin gern. Beispielsweise wurde bei der SPECTRAX®-Vorrichtung von MEDTRONIC etwa von 1979 eine IC-Schaltungsanordnung durch eine Lithiumiodzelle (und nicht durch die zwei Zellen, die typischerweise bei Vorrichtungen aus dem Stand der Technik verwendet werden), gespeist. Hierdurch wurde die Versorgungsspannung von 5,6 Volt auf 2,8 Volt verrin gert, wodurch der zusätzliche Strom verringert wurde. Spannungen, die größer als 2,8 Volt sein mußten, wurden durch einen Spannungsverdoppler oder alternativ durch eine Ladungspumpe erzeugt (beispielsweise Ausgangsstimulier impulse). Weiterhin wurde beispielsweise bei der SYMBIOS®- Vorrichtung von MEDTRONIC etwa von 1983 eine Logik schaltungsanordnung durch einen Spannungsregler gespeist, der die IC-Versorgungsspannung als eine Versorgungsspannung in Form einer "Summe von Schwellenwerten" steuerte. Dieser Regler lieferte der IC eine Versorgungsspannung (d. h. V_DD), die um einige Hundert Millivolt über der Summe der n-Kanal- und der p-Kanal-Schwellenwerte der die IC bildenden CMOS- Transistoren lag. Dieser Regler war hinsichtlich Herstel lungsschwankungen der Transistorschwellenwerte selbst kalibrierend.

Andere Vorrichtungen weisen auf verschiedene andere Arten eine verringerte Leistungsaufnahme auf. Beispielsweise weisen verschiedene Vorrichtungsanordnungen abschaltbare Analogblöcke und/oder ausschaltbare Taktgeber für Logik blöcke, die zu bestimmten Zeiten nicht verwendet werden, auf, wodurch die Leistungsaufnahme verringert wird. Weiter hin wurde beispielsweise bei Mikroprozessor-gestützten Vorrichtungen in der Vergangenheit eine "Bursttakt"-Anord nung zum Betreiben eines Mikroprozessors bei einer sehr hohen Taktrate (beispielsweise in etwa 500-1000 Kilohertz (kHz)) für relativ kurze Zeiträume verwendet, um den Vor teil eines "Tastgrads" zum Verringern der durchschnitt lichen Stromentnahme zu gewinnen. Ein viel niederfrequente rer Takt (beispielsweise in etwa 32 kHz) wird für andere Schaltungsanordnungen und/oder den Prozessor verwendet, wenn er sich nicht im Modus der hohen Taktrate, also im Burst-Taktmodus befindet. Bei vielen bekannten Prozessor- gestützten implantierten Vorrichtungen werden die Burst- Takttechniken verwendet. Beispielsweise werden bei von Medtronic, Vitatron, Biotronic, ELA, Intermedics, Pacesetters, InControl, Cordis, CPI usw. erhältlichen implantierten Vorrichtungen Burst-Takttechniken verwendet. Einige der Veranschaulichung dienende Beispiele, die die Verwendung eines Bursttakts beschreiben, sind im am 31. Dezember 1985 Vollmann u. a. erteilten US-Patent 4 561 442 mit dem Titel "Implantable Cardiac Pacer With Discontinuous Microprocessor Programmable Anti Tachycardia Mechanisms and Patient Data Telemetry", im am 11. Juni 1991 Russie erteilten US-Patent 5 022 395 mit dem Titel "Implantable Cardiac Device With Dual Clock Control of Microprocessor", im am 14. Februar 1995 Yomtov u. a. erteilten US-Patent 5 388 578 mit dem Titel "Improved Electrode System For Use With An Implantable Cardiac Patient Monitor" und im am 13. Oktober 1992 Bennet u. a. erteilten US-Patent 5 154 170 mit dem Titel "Optimization for Rate Responsive Cardiac Pacemaker" gegeben.

Fig. 1 ist eine graphische Darstellung der Energie/Verzögerung gegenüber der Versorgungsspannung für CMOS- Schaltungen, wie einen in Fig. 2 zur Veranschaulichung dargestellten CMOS-Invertierer 10. Der Invertierer 10 ist mit einer Versorgungsspannung V_DD versehen, die an die Source-Elektrode eines PMOS-Feldeffekttransistors (FET) 12 angeschlossen ist. Die Drain-Elektrode des PMOS-FETs 12 ist an die Drain-Elektrode eines NMOS-FETs 14 angeschlossen, dessen Source-Elektrode an Masse gelegt ist. In dieser Konfiguration wird eine an beide Gate-Elektroden der FETs 12, 14 angelegte Eingangsspannung V_i invertiert, und es wird eine Ausgangsspannung V₀ erzeugt. Einfach ausgedrückt wird ein Taktzyklus oder eine Logikpegeländerung zum Inver tieren der Eingabe V_i zu V₀ verwendet.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird die logische Verzöge rung der Schaltung drastisch erhöht, wenn die Versorgungs spannung auf nahezu ein Volt verringert wird, wie durch eine Verzögerungslinie 16 und eine Energie/Verzögerung- Linie 18 dargestellt ist. Dabei ist ein kontinuierliches Verringern der Versorgungsspannung (V_DD) auf niedrigere Pegel praktisch nicht durchführbar, weil höhere Versor gungsspannungen erforderlich sind, wenn ein Betrieb mit höherer Frequenz notwendig ist. Beispielsweise müssen CMOS- Logikschaltungen im allgemeinen periodisch Funktionen bei einer höheren Frequenz, beispielsweise einer Burst- Taktfrequenz, bereitstellen. Wenn die Versorgungsspannung (V_DD) jedoch vermindert wird, wird dieser Energieverbrauch um das Quadrat der Versorgungsspannung (V_DD) verringert, wie durch eine Energieverbrauchslinie 20 dargestellt ist. Daher ist zum Erreichen einer höheren Geschwindigkeit eine höhere Versorgungsspannung (V_DD) erforderlich, was einer niedrigen Leistungsaufnahme direkt entgegensteht.

Auch andere Probleme sind bei Verwendung niedrigerer Ver sorgungsspannungen (V_DD) für CMOS-Schaltungsanordnungen offensichtlich. Wenn eine niedrigere Versorgungsspannung ausgewählt wird, können insbesondere bei niedrigeren Fre quenzen erhöhte statische Leckstromverluste auftreten.

Verschiedene Techniken zum Verringern der Leistungsaufnahme von Vorrichtungen sind im Stand der Technik bekannt, wobei einige Beispiele dazu in den in der weiter unten angegebe nen Tabelle 1 angeführten Entgegenhaltungen gefunden werden können.

Tabelle 1

Auf alle in der oben angegebenen Tabelle 1 angeführten Entgegenhaltungen sei hiermit in ihrer jeweiligen Gesamt heit verwiesen. Wie für Durchschnittsfachleute beim Lesen der Zusammenfassung der Erfindung, der Detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen und der Ansprüche, die weiter unten aufgeführt sind, leicht verständlich sein wird, können zumindest einige der Vorrichtungen und Verfah ren, die in den in der vorliegenden Anmeldung erwähnten Veröffentlichungen, Patenten oder Patentanmeldungen unter Einschluß derjenigen, die in den in der oben angegebenen Tabelle 1 angeführten Entgegenhaltungen offenbart sind, dargelegt sind, gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung vorteilhaft modifiziert werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung hat bestimmte Aufgaben. Dabei liefern verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Lösungen für ein oder mehrere Probleme, die im Stand der Technik im Hinblick auf die Auslegung von Schaltungsanordnungen mit einer niedrigeren Leistungs aufnahme, insbesondere in bezug auf implantierbare medizi nische Vorrichtungen, auftreten. Diese Probleme umfassen CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS- Schaltungen mit einer sehr hohen dynamischen Leistungs aufnahme, wodurch die Batterielebensdauer verringert wird, die Unfähigkeit, niedrige Versorgungsspannungspegel wirksam zu verwenden, das Fehlen der Möglichkeit, angemessene Verarbeitungsfähigkeiten, wie hochentwickelte Verarbei tungsfähigkeiten unter Einschluß einer Aufwärts/Abwärts- Telemetrie, einer Morphologieerfassung und einer Initiali sierung von Vorrichtungen, während weiterhin einfache Verarbeitungsfähigkeiten, wie das Wahrnehmen natürlicher Herzschläge, eine Stimulation und eine langsame Telemetrie bei der gewünschten Leistungsaufnahme bereitgestellt werden, bereitzustellen.

Im Vergleich zu bekannten Techniken zum Verringern der Leistungsaufnahme bei Schaltungsanordnungen können ver schiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen oder mehrere der folgenden Vorteile bieten, nämlich eine verringerte Leistungsaufnahme durch die Verwendung einer niedrigeren Versorgungsspannung (V_DD) für digitale Schaltungsanordnungen, eine erhöhte Langlebigkeit von Schaltungen, insbesondere von Schaltungsanordnungen implan tierbarer Vorrichtungen, das Bereitstellen einer möglichen Verringerung der Produktgröße, das Minimieren statischer Leckstromverluste, also der statischen Leistungsaufnahme, das Bereitstellen von Anordnungen mit mehreren Prozessoren, von DSP-Anordnungen und von Hochleistungs-Verarbeitungs anordnungen mit zusätzlichen Merkmalen und funktionellen Möglichkeiten durch die Fähigkeit zum Verringern der Leistungsaufnahme im Hinblick auf andere "erforderliche" Merkmale und Funktionen und das Bereitstellen einer erheb lichen Verringerung der Stromaufnahme für die Gesamtanord nung selbst dann, wenn analoge Schaltungsanordnungen bei Versorgungsspannungen betrieben werden, die höher sind als die an digitale Schaltungsanordnungen der Gesamtanordnung angelegten Versorgungsspannungen.

Einige Ausführungsformen der Erfindung beinhalten eines oder mehrere der folgenden Merkmale, nämlich eine oder mehrere analoge Schaltungen einer medizinischen Vorrichtung (beispielsweise einen atriellen Leseverstärker, einen ventrikulären Leseverstärker, einen T-Zacken-Verstärker, ein oder mehrere Bandpaßfilter, eine oder mehrere Erfas sungsschaltungen, eine oder mehrere Sensorverstärkungs schaltungen, eine oder mehrere Verstärkungsschaltungen für physiologische Signale, eine oder mehrere Ausgangs schaltungen, eine Batterieüberwachungsschaltung und/oder eine Einschalt-Rücksetz-Schaltung) und eine oder mehrere digitale Schaltungen der medizinischen Vorrichtung (bei spielsweise einen Prozessor, eine Steuereinrichtung und/oder einen Speicher), wobei die an die analogen Schal tungen angelegte Versorgungsspannung größer ist als dieje nige, die an die digitalen Schaltungen angelegt wird, eine Quelle zum Anlegen einer ersten festen Versorgungsspannung an digitale Schaltungen einer medizinischen Vorrichtung und eine Spannungserzeugungsschaltung (beispielsweise eine Ladungspumpenschaltung), an die die erste feste Versor gungsspannung angelegt wird, um eine zweite feste Versor gungsspannung zu erzeugen, die an analoge Schaltungen der medizinischen Vorrichtung angelegt wird, das Einstellen der Substratvorspannung von digitalen Schaltungen der medizini schen Vorrichtung, das Verschieben von Pegeln von Signalen, die zwischen analogen und digitalen Schaltungen aus getauscht werden, an die unterschiedliche Versorgungs spannungen angelegt sind, und das Verwenden verschiedener oder Kombinationen der erwähnten Merkmale bei CMOS-, CML- (Strommoduslogik)-, SOS-(Silicium-auf-Saphir)-, SOI- (Silicium-auf-Isolator)-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS- Schaltungsanordnungen.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine graphische Darstellung der Energie/Verzögerung gegenüber der Versorgungsspannung für einen CMOS-Schaltungsbetrieb.

Fig. 2 zeigt einen CMOS-Invertierer aus dem Stand der Technik, der bei vielen CMOS-Schaltungsanordnungen als ein Baustein verwendet wird.

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm eines Zeitgerecht-Taktsystems gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die Fig. 4A-4C zeigen Darstellungen von Zeitsteuerun gen, die beim Beschreiben des Zeitgerecht-Taktsystems aus Fig. 3 verwendet werden.

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm eines Systems mit mehreren Versorgungsspannungen gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm, in dem ein System mit einer veränderlichen Versorgungsspannung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.

Fig. 7 ist ein Blockdiagramm einer taktgesteuerten Verar beitungsschaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfin dung.

Fig. 8 ist ein Diagramm, in dem eine implantierbare medi zinische Vorrichtung in einem Körper dargestellt ist.

Fig. 9 ist ein Blockdiagramm der Schaltungsanordnung eines Schrittmachers, das beim Veranschaulichen von einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Fig. 10 ist ein schematisches Blockdiagramm eines implantierbaren Schrittmachers/Kardioverters/Defibrillators (PCD), das beim Veranschaulichen von einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Fig. 11 ist ein schematisches Blockdiagramm eines digita len Signalverarbeitungssystems mit einem veränderlichen Takt und einer veränderlichen Versorgungsspannung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 12 ist ein allgemeines schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der für analoge und digitale Schaltungen der Vorrichtung unter schiedliche Versorgungsspannungen verwendet werden.

Fig. 13 ist ein detaillierteres schematisches Block diagramm einer Ausführungsform eines Schrittmachers, der dem in Fig. 9 dargestellten gemäß der vorliegenden Erfin dung sehr ähnelt, wobei an die digitalen Schaltungen des Schrittmachers eine niedrigere Versorgungsspannung angelegt wird und wobei eine Ladungspumpe zum Erzeugen einer höheren Versorgungsspannung verwendet wird, die an die analogen Schaltungen des Schrittmachers anzulegen ist.

Fig. 14 ist ein Blockdiagramm, in dem die Verwendung eines digitalen Signalprozessors (von digitalen Signalprozesso ren) bei der in Fig. 13 dargestellten Ausführungsform veranschaulicht ist.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung wird zuerst mit Bezug auf die Fig. 1-14 beschrieben. Insbesondere wird die Verwen dung unterschiedlicher Versorgungsspannungen für analoge und digitale Schaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Fig. 12 bis 14 beschrieben.

Fig. 3 zeigt ein allgemeines Blockdiagramm eines Zeit gerecht-Taktsystems 30. Das Zeitgerecht-Taktsystem 30 beinhaltet eine integrierte Schaltung 32 und eine Taktquelle 34. Die integrierte Schaltung 32 beinhaltet eine Vielzahl von Schaltungen C1-Cn. Jede Schaltung kann, wenn sie arbeitsfähig ist, eine oder mehrere Schaltungsfunktio nen ausführen. Eine Funktion ist hier als eine beliebige Operation definiert, die an einer oder mehreren Eingaben in einer Vielzahl von Zyklen ausgeführt wird und die zu einer Ausgabe führt. Allgemein gesagt werden die durch die ver schiedenen Schaltungen C1-Cn ausgeführten Funktionen gewöhnlich, wenn auch nicht notwendigerweise immer in einer vorgegebenen Anzahl von Taktzyklen ausgeführt. Die Taktquelle 34 ist in der Lage, bei einer Vielzahl von allgemein als clock1-clockn dargestellten Taktfrequenzen Taktsignale bereitzustellen.

Die Schaltungen C1-Cn der integrierten Schaltung 32 können diskrete Funktionsschaltungen (beispielsweise eine bestimmte Funktion verwirklichende Logikschaltungen, die eine oder mehrere Eingaben bearbeiten und anhand dieser eine oder mehrere Ausgaben liefern), wie beispielsweise Schaltungen, die eine Eingabe eines Sensors bearbeiten und anhand von dieser weiteren Funktionsschaltungsanordnungen Sende-Empfangsschaltungsanordnungen, Konversionsschaltungs anordnungen und dergleichen ein entsprechendes Signal liefern. Weiterhin können die Schaltungen C1-Cn Daten verarbeitungsschaltungsanordnungen aufweisen, die unter einer Programmsteuerung mehrere Funktionen ausführen kön nen. Alternativ können diese Schaltungen C1-Cn Firmware- (Software)-Funktionen/Routinen realisieren, die vor einem nachfolgenden Ereignis oder vor Beginn der nächsten Funk tion abgeschlossen sein müssen. Wie hier beispielsweise weiter mit Bezug auf der Veranschaulichung dienende Ausfüh rungsformen implantierbarer medizinischer Vorrichtungen beschrieben wird, können diese Schaltungen digitale Signal verarbeitungsschaltungen, Telemetrie-Aufwärts/Abwärts- Schaltungsanordnungen, Morphologieerfassungsschaltungs anordnungen, Arrythmieerfassungsschaltungsanordnungen, Überwachungsschaltungsanordnungen, Schrittmacherschaltungs anordnungen, Mikroprozessoren und dergleichen umfassen.

Die von jeder der Schaltungen C1-Cn ausgeführten Funktio nen müssen typischerweise einen bestimmten Zeitraum vor Ausführung eines nächsten Funktionsprozesses abgeschlossen sein. Beispielsweise kann eine Logikschaltung eine Funktion in einem vorgegebenen Zeitraum ausführen, um eine von einer anderen Schaltung benötigte Ausgabe bereitzustellen, oder es kann beispielsweise erforderlich sein, eine Funktion während eines bestimmten Zeitraums durch eine Verarbei tungsschaltungsanordnung auszuführen, weil diese Verarbei tungsschaltungsanordnung andere Verarbeitungen ausführen muß. Bei einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung muß beispielsweise eine Verarbeitung zum Abschließen einer bestimmten Funktion möglicherweise in einem Teil eines bestimmten Zeitintervalls, wie eines Austastintervalls, eines oberen Ratenintervalls, eines Escapeintervalls oder eines Refraktärintervalls eines Herzzyklus oder weiter beispielsweise während eines Quittungsaustausches zwischen einem Impulsgenerator und einer Programmiereinrichtung ausgeführt werden.

Die Taktquelle 34 kann in irgendeiner Weise zum Bereit stellen von Taktsignalen bei einer Vielzahl von Frequenzen konfiguriert sein. Diese Taktquelle kann irgendeine Anzahl von Taktschaltungen beinhalten, wobei jede von ihnen bei einer bestimmten Frequenz ein einziges Taktsignal bereit stellt, die Taktquelle 34 kann eine oder mehrere einstell bare Taktschaltungen zum Bereitstellen von Taktsignalen über einen zusammenhängenden Bereich von Taktfrequenzen beinhalten, und/oder sie kann eine Taktschaltung beinhal ten, die so arbeiten kann, daß Taktsignale bei diskreten Taktfrequenzen und nicht über einen zusammenhängenden Bereich bereitgestellt werden. Die Taktquelle 34 kann beispielsweise Oszillatoren, Taktteiler, Zeitgeber, Takt steuer-Schaltungsanordnungen oder irgendwelche andere Schaltungselemente aufweisen, die zum Bereitstellen von Taktsignalen gemäß der vorliegenden Erfindung erforderlich sind. Die Taktquelle 34 ist vorzugsweise als ein kontinuierlich oszillierender Niederfrequenz-Taktgeber und als ein steuerbarer ein-/ausschaltbarer Taktgeber mit höherer Frequenz konfiguriert.

Ein zeitgerecht steuerbarer Taktbetrieb des Zeitgerecht- Taktsystems 30 aus Fig. 3 wird hier mit Bezug auf die Fig. 4A-4C beschrieben. Wie in Fig. 4A dargestellt ist, repräsentiert der Zeitraum (x) den Zeitraum, in dem eine Schaltung, beispielsweise eine der Schaltungen C1-Cn, eine oder mehrere Funktionen ausführen muß. Der gleiche Zeitraum (x) ist in Fig. 4B dargestellt. Der Zeitraum x kann jeder beliebigen Anzahl unterschiedlicher Zeiträume gleichgesetzt werden. Beispielsweise kann der Zeitraum der Zeitbetrag, in der eine Verarbeitungsschaltung eine bestimmte Erfassungsfunktion ausführen muß, weil eine Erfassungsausgabe zu einem bestimmten Zeitpunkt erforder lich ist, ein Zeitraum, den eine bestimmte Logikschaltung zum Abschließen einer bestimmten Funktion benötigt, um einer digitalen Signalverarbeitungsschaltung pünktlich eine Ausgabe zu liefern, ein Zeitraum zum Abschließen einer Firmware-(Software)-Routine und dergleichen sein. Weiterhin kann der Zeitraum x einem Herzzyklus oder einem Teil davon entsprechen.

Wie in Fig. 4B dargestellt ist und gemäß der herkömmlichen Verarbeitung wurden Schaltungsfunktionen typischerweise bei einer Burst-Zyklusfrequenz ausgeführt, und die ausgeführte Funktion benötigte dabei einen Zeitraum 60. Daher wurde nur ein kleiner Zeitbetrag (beispielsweise der Zeitraum 60) des ganzen Zeitraums x zum Ausführen der einen oder mehreren Funktionen verwendet, die bis zum Abschluß n Zeitzyklen benötigen. In diesem Fall arbeiten herkömmliche Burst- Taktgeber für so kurze Zeiträume bei einer hohen Taktrate (beispielsweise 500-1000 kHz), daß der Vorteil eines "Tastgrads" erhalten wird, wodurch die durchschnittliche Stromentnahme verringert wird. Solche hohen Taktraten sind jedoch zum Ausführen solcher Funktionen oder aller Funktionen möglicherweise nicht erforderlich.

Bei der zeitgerechten Takterzeugung gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wie in Fig. 4A dargestellt ist, im wesent lichen der ganze Zeitraum x zum Ausführen der einen oder mehreren Funktionen, die in n Zyklen abgeschlossen werden, verwendet. Mit anderen Worten wird die Taktfrequenz, bei spielsweise eine von clock1-clockn, für die die eine oder die mehreren Funktionen während des Zeitraums x ausführende Schaltung so festgelegt, daß die eine oder die mehreren Funktionen in der maximalen Zeit abgeschlossen werden, die zum Ausführen dieser Funktionen verfügbar ist, was bedeu tet, daß sich die Taktfrequenz bei ihrem niedrigstmöglichen Wert befindet. Anders ausgedrückt wird eine niedrigere Taktfrequenz verwendet, so daß die eine oder die mehreren Funktionen für andere auszuführende Schaltungs- oder Routinenfunktionsweisen zeitgerecht ausgeführt werden.

Bei dieser zeitgerechten Art ist die zum Steuern der Wirkungsweise dieser Funktionen durch die jeweilige CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Schaltungs anordnung verwendete Taktfrequenz verringert, was zu einer verringerten Leistungsaufnahme dieser Schaltungsanordnung führt. Nach Berechnungen der dynamischen Leistung führt die niedrigere Frequenz zu einer proportionalen Verringerung der Leistungsaufnahme. Beim Verringern der Taktfrequenz kann die integrierte Schaltung 32 mit den verschiedenen Schaltungen C1-Cn so ausgelegt sein, daß sie bei einer niedrigeren Frequenz (beispielsweise im Gegensatz zu einer Burst-Frequenz) und nach Bedarf auch bei verschiedenen anderen Frequenzen arbeitet.

Es ist bevorzugt, daß im wesentlichen der ganze vorgegebene Zeitraum verwendet wird, damit die eine oder die mehreren ausgeführten Funktionen vor dem Ende des Zeitraums x abge schlossen werden (wie in Fig. 4A beispielsweise durch Restzeiträume 55 dargestellt ist). Der Restzeitraum 55 liegt beispielsweise vorzugsweise in der Nähe von 0 Sekun den.

In Fig. 4C ist ein der Veranschaulichung dienendes Zeitsteuerungsbeispiel für eine mehrere Funktionen ausfüh rende Verarbeitungsschaltungsanordnung dargestellt. Bei spielsweise ist der Herzzyklus eines Patienten in Fig. 4C als Zeitraum x dargestellt. Während eines Zeitraums 71 (beispielsweise während eines QRS-Komplexes des Herzzyklus) wird bei einer bezüglich einer niedrigeren Taktfrequenz, die zum Steuern des Betriebs der Verarbeitungsschaltungs anordnung während des Zeitraums y verwendet wird, hohen Taktfrequenz eine schnelle Verarbeitung ausgeführt. Wenn die Verarbeitungsschaltungsanordnung während des Zeitraums y bei einer niedrigeren Taktfrequenz betrieben wird, kann die niedrigere Taktfrequenz so festgelegt werden, daß die während z Zyklen ausgeführten Funktionen im wesentlichen im ganzen für diese Verarbeitung verfügbaren maximalen Zeit raum (also dem Zeitraum y) ausgeführt werden. Wiederum kann ein kleiner restlicher Zeitraum 75 des Herzzykluszeitraums x existieren. Dieser Zeitraum kann beispielsweise im Bereich von etwa 1,0 bis etwa 10,0 Millisekunden liegen, wenn der Herzzyklus im Bereich von etwa 400 bis etwa 1200 Millisekunden liegt.

Fig. 5 zeigt ein allgemeines Blockdiagramm eines Systems 100 mit mehreren Versorgungsspannungen, bei dem eine oder mehrere Versorgungsspannungen verfügbar und zum Anlegen an verschiedene Schaltungen in einem IC speziell angepaßt sind. Das System 100 mit mehreren Versorgungsspannungen beinhaltet eine integrierte Schaltung 102 und eine Versor gungsspannungsquelle 106. Die integrierte Schaltung 102 weist Schaltungen C1-Cn auf. Die Versorgungsspannungs quelle 106 kann mehrere Versorgungsspannungen V1-Vn bereitstellen. Jede Versorgungsspannung von der Versor gungsspannungsquelle 106 ist speziell für das Anlegen an eine oder mehrere der Schaltungen C1-Cn angepaßt. Wie dargestellt ist, wird die Versorgungsspannung V1 an die Schaltung C1 angelegt, wird die Versorgungsspannung V2 an die Schaltungen C2 und C3 angelegt usw.

Das spezielle Anpassen der Versorgungsspannungen V1-Vn an die jeweiligen Schaltungen C1-Cn hängt von der Frequenz ab, bei der die Schaltungen C1-Cn arbeiten müssen. Bei spielsweise erhöht sich die logische Verzögerung solcher CMOS-Schaltungen C1-Cn drastisch, wenn die Versorgungs spannung auf nahezu 1 Volt verringert wird. Falls diese logische Verzögerung zulässig ist, verringert die einer bestimmten Schaltung zugeführte Versorgungsspannung dra stisch die Leistungsaufnahme für diese bestimmte Schaltung, wenn die Energie proportional zum Quadrat der Versorgungs spannung (V_DD) verringert wird. Falls diese logische Verzö gerung jedoch nicht zulässig ist, weil die Logikschaltung beispielsweise eine Funktion ausführt, die innerhalb eines bestimmten Zeitraums abgeschlossen sein muß, ist die Ver ringerung der an diese Schaltung angelegten Versorgungs spannung (V_DD) abhängig von der annehmbaren logischen Verzögerung begrenzt. Die Versorgungsspannung V_DD für eine bestimmte Schaltung kann jedoch so weit wie möglich verrin gert werden und dennoch die Anforderungen einer angemesse nen Geschwindigkeit erfüllen.

Die integrierte Schaltung 102 kann verschiedene Schaltungen C1-Cn in der Art der mit Bezug auf Fig. 3 beschriebenen aufweisen. Die Versorgungsspannungsquelle 106 kann unter Verwendung einer Vielzahl von Komponenten verwirklicht sein und eine beliebige Anzahl von Spannungsquellen, von denen jede einen einzigen Versorgungsspannungspegel liefert. Die Versorgungsspannungsquelle 106 kann auch eine oder mehrere einstellbare Spannungsquellen zum Bereitstellen von Versor gungsspannungspegeln über einen zusammenhängenden Bereich von Pegeln aufweisen. Die Versorgungsspannungsquelle 106 kann weiter eine Spannungsquelle aufweisen, die (im Gegen satz zu sich über einen zusammenhängenden Bereich erstrec kenden Pegeln) diskrete Versorgungsspannungspegel bereit stellen kann. Die Versorgungsspannungsquelle kann einen Spannungsteiler, einen Spannungsregler, eine Ladungspumpe oder irgendwelche anderen Elemente zum Bereitstellen der Versorgungsspannungen V1-Vn aufweisen. Die Versorgungs spannungsquelle 106 ist vorzugsweise als eine Ladungspumpe konfiguriert.

Die Versorgungsspannung (V_DD) liegt im allgemeinen im Bereich von etwa 3 Volt bis etwa 6 Volt. Vorzugsweise liegen die Versorgungsspannungen V1-Vn abhängig von der jeweiligen verwendeten CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Technologie im Bereich von etwa 1 Volt bis etwa 3 Volt.

Bei einer Verringerung der Versorgungsspannung (V_DD) ver ringert sich auch die Schwellenspannung (V_T) für die Schal tungen. Wenn die Versorgungsspannungen beispielsweise im Bereich von etwa 3 bis etwa 6 Volt liegen, liegt die Schwellenspannung für CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Bauelemente im allgemeinen im Bereich von etwa 0,8 Volt bis etwa 1,0 Volt. Bei implantierbaren medizinischen Vorrichtungen werden für implantierbare Batterien vorzugsweise chemische Lithiumverbindungen ver wendet. Diese chemischen Lithiumverbindungen sind im allge meinen dadurch gekennzeichnet, daß ihre Spannungen bei geöffnetem oder geschlossenem Stromkreis im Bereich von etwa 2,8 Volt bis etwa 3,3 Volt liegen. CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Schaltungsanordnungen weisen im allgemeinen eine zugeordnete Schwellenspannung von etwa 0,75 Volt auf. Durch Verringern der Versorgungs spannungen unter 2,8 Volt können die Spannungsschwellen für CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS- Bauelemente auf lediglich etwa 0,2 Volt bis etwa 0,3 Volt verringert werden.

Es gibt gegenwärtig verschiedene Logikentwürfe mit äußerst niedriger Leistungsaufnahme, die bei Versorgungsspannungen von lediglich etwa 1,1 Volt arbeiten. Bei Logikentwürfen für Mikroprozessoren für Laptops und andere Anwendungen tragbarer Produkte werden häufig solche niedrigen Spannun gen verwendet. Unter Verwendung der speziell angepaßten Versorgungsspannungen V1-Vn können zumindest für einige der verschiedenen Schaltungen C1-Cn der integrierten Schaltung 102 Logikentwürfe mit niedriger oder äußerst niedriger Leistungsaufnahme verwendet werden. Andere Schal tungen erfordern möglicherweise höhere Versorgungsspannun gen. Bei Verwendung niedrigerer Schwellenpegel infolge niedrigerer Versorgungsspannungen sind die Verluste durch die statische Leistungsaufnahme um mehrere Größenordnungen erhöht, was unerwünscht ist.

Das System 100 mit mehreren Versorgungsspannungen kann daher weiterhin wahlweise eine Substratvorspannungsquelle 130 zum Bereitstellen von Substratvorspannungen BV1-BVn für die Schaltungen C1-Cn der integrierten Schaltung 102 aufweisen. Im allgemeinen hängen die Substratvorspannungen BV1-BVn von den an die Schaltungen C1-Cn angelegten Versorgungsspannungen V1-Vn ab, die dem Einstellen der Schwellenspannungen für Bauelemente der Schaltungen C1-Cn dienen. Beispielsweise kann die Schwellenspannung (V_T) für die CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS- Bauelemente der Schaltung auf einen niedrigeren Wert gelegt werden, indem für die jeweiligen Schaltungen, denen die niedrigere Versorgungsspannung zugeführt wird, eine Substratvorspannung bereitgestellt wird. Falls der Schal tung C1 überdies eine niedrigere Versorgungsspannung V1 zugeführt wird, kann eine Substratvorspannung BV1 wahlweise an die Schaltung C1 angelegt werden, um die Schwellen spannung (V_T) für die CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Bauelemente auf einen höheren Schwellenspannungswert (höheren V_T-Wert) zu legen. Auf diese Weise können statische Leckstromverluste minimiert werden, weil die gleichwertige höhere Schwellenspannung wiederhergestellt wurde. Überdies ist ein breiterer Versor gungsspannungsbereich möglich, weil die Einstellung der Substratvorspannung das spezielle Anpassen der Schwellen spannung ermöglicht, was einen schnellen/langsamen Betrieb ermöglicht und den statischen Stromentnahmeverlust besei tigt.

Die Substratvorspannung kann beispielsweise durch eine Festspannungsquelle (beispielsweise eine Ladungspumpe) bereitgestellt werden, die über einen Kontakt an das rück seitige Gate angeschlossen ist. Alternativ kann ein aktives Substratvorspannungsschema verwendet werden, bei dem die Spannungsquelle über einen geeigneten Bereich auswählbar oder einstellbar ist.

Substratvorspannungen können in irgendeiner bekannten Weise verwendet werden. Das Anwenden von Substratvorspannungen ist beispielsweise in verschiedenen Patentbezügen ein schließlich des Lewis u. a. erteilten US-Patents 4 791 318, des Masuoka erteilten US-Patents 4 460 835, des Chan u. a. erteilten US-Patents 5 610 083 und des Farb u. a. erteilten US-Patents 5 185 535 beschrieben, auf die hier alle in ihrer jeweiligen Gesamtheit verwiesen sei.

In Fig. 6 ist ein allgemeines Blockdiagramm eines Systems 150 mit einer veränderlichen Versorgungsspannung und einem veränderlichen Takt gemäß der vorliegenden Erfindung darge stellt. Das System 150 beinhaltet eine integrierte Schal tung 152, eine Taktquelle 156, eine Versorgungsspannungs quelle 154 und eine Takt/Versorgungsspannungs-Schnittstelle 155. Die Versorgungsspannungsquelle 154 liefert einer Vielzahl von Schaltungen C1-Cn der integrierten Schaltung 152 eine Vielzahl von Versorgungsspannungen V1-Vn. Die Taktquelle 156 des Systems 150 liefert bei einer Vielzahl von Frequenzen clock1-clockn Taktsignale. Die Schaltungen C1-Cn ähneln den mit Bezug auf Fig. 3 beschriebenen. Die Taktquelle 156 ähnelt der Taktquelle 34, die mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben wurde. Die Versorgungsspannungsquelle 154 ähnelt der mit Bezug auf Fig. 5 beschriebenen Versor gungsspannungsquelle 106. Im System 150 mit einer veränder lichen Versorgungsspannung und einem veränderlichen Takt wird jedoch die Takt/Spannung-Schnittstelle 155 zum "flie genden" Einstellen der an die Schaltungen C1-Cn angeleg ten Versorgungsspannungen V1-Vn verwendet, wie es für die speziellen Zeitsteuerfunktionen erforderlich ist, die von den Schaltungen C1-Cn benötigt werden oder in diesen vorhanden sind.

Die Schaltung C1 kann bei einem der Veranschaulichung dienenden Beispiel eine bestimmte Logikschaltung zum Aus führen von einer oder mehreren bestimmten Funktionen sein. Es ist jedoch möglicherweise erforderlich, diese Funktionen in einem ersten Zeitraum bei einer ersten Taktfrequenz und während eines davon verschiedenen zweiten Zeitraums bei einer zweiten Taktfrequenz auszuführen, so daß diese Funk tionen innerhalb der zulässigen Zeit des ersten bzw. des zweiten Zeitraums ausgeführt werden können. Das heißt, daß ein Zeitraum kürzer ist als der andere und daß die Funktio nen, die über eine gewisse Anzahl von Zyklen ablaufen müssen, daher bei einer höheren Taktfrequenz ausgeführt werden müssen, falls sie innerhalb eines Zeitraums abge schlossen werden müssen, der kürzer ist als ein anderer Zeitraum.

Bei einem solchen Beispiel und gemäß der vorliegenden Erfindung erfaßt die Takt/Spannung-Schnittstelle 155 das an die Schaltung C1 angelegte Taktsignal während des ersten Zeitraums, in dem das höherfrequente Taktsignal verwendet wird, und führt der Versorgungsspannungsquelle 154 daher ein Signal zu, das dazu dient, entsprechend der höheren Taktfrequenz eine gewisse Versorgungsspannung auszuwählen und anzulegen. Wenn die niedrigere Taktfrequenz daher während des zweiten Zeitraums an die Schaltung C1 angelegt wird, nimmt die Takt/Spannung-Schnittstelle 155 die Verwen dung der niedrigeren Taktfrequenz wahr, und legt ein Signal an die Spannungsversorgungsquelle 154 an, um eine gewisse Versorgungsspannung anzulegen, die der an die Schaltung C1 anzulegenden niedrigeren Taktfrequenz entspricht.

Weiterhin kann die Schaltung C2 ein CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Prozessor sein, bei dem auch Einstellungen der Taktfrequenz und der entsprechenden Versorgungsspannung "fliegend" vorgenommen werden können. Ein solches System wird für Fachleute beim Lesen der fol genden Erörterung mit Bezug auf Fig. 7 leicht verständlich werden.

Fig. 7 ist ein allgemeines Blockdiagramm eines takt gesteuerten Verarbeitungssystems 200 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das taktgesteuerte Verarbeitungssystem 200 beinhaltet einen Prozessor 202 (beispielsweise einen CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Mikroprozes sor oder einen digitalen CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Signalprozessor), eine Taktquelle 204, eine Versorgungsspannungsquelle 206, einen Spannungsregler 212, eine Reglerschnittstelle 210, eine Taktsteuerung 208 und wahlweise eine Substratvorspannungsquelle 214. In ähnlicher Weise wie mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben wurde, wird die an den Prozessor 202 angelegte Versorgungs spannung 206 "fliegend" geändert, wie es bei bestimmten Schaltungszeitsteuerungsanforderungen erforderlich ist.

Im allgemeinen wird der Prozessor 202 durch die Taktquelle 204 gesteuert betrieben. Abhängig von der erforderlichen Verarbeitungsfähigkeit kann die Taktquelle 204 den Prozes sor 202 bei jeder beliebigen einer Vielzahl von Takt frequenzen betreiben. Diese Taktfrequenzen können durch die Taktsteuerung 208 gesteuert ausgewählt werden. Die Takt steuerung 208 kann Teil irgendeiner Zeitablauf- und Steuer hardware und/oder Zeitablauf- und Steuersoftware sein, die zum Steuern des Betriebs des Prozessors 202 als Teil eines größeren Systems verwendet wird. Diese Taktsteuerung kann beispielsweise die Form einer digitalen Steuerungs- /Zeitgeberschaltung zum Ausführen einer Zeitsteuerung einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung annehmen.

Der Prozessor 202 kann eine Anzahl von Funktionen ausfüh ren, die für die Vorrichtung, in der er verwendet wird, geeignet sind. Hochfrequenz-Verarbeitungsfähigkeiten (also bei etwa 250 kHz bis etwa 10 MHz), Niederfreguenz- Verarbeitungsfähigkeiten (also bei etwa 1 Hz bis etwa 32 kHz) und Verarbeitungsfähigkeiten hinsichtlich Fre quenzen zwischen diesen Grenzen werden gemäß der vorliegenden Erfindung erwogen. Der Einfachheit halber wird die Arbeitsweise des Taktsteuerungs-Verarbeitungssystems 200 mit Bezug auf den Prozessor 202 beschrieben, der nur zwei unterschiedliche Funktionen ausführt, wobei jede von ihnen während eines vorgegebenen jeweiligen Zeitraum ausgeführt wird. Beispielsweise sei mit Bezug auf eine implantierbare medizinische Vorrichtung in der Art eines Schrittmachers bemerkt, daß während des ersten Zeitraums eine hochentwickelte Verarbeitungsfunktion, die eine relativ hohe Taktfrequenz benötigt, eine Funktion in der Art einer Aufwärts/Abwärts-Telemetrie, einer Morphologie erfassung, einer Initialisierung, einer Arrhythmie erfassung, einer Fernfeld-R-Zacken-Erfassung, einer EMI- Erfassung, einer retrograden Leitung und dergleichen aufweisen kann. Andererseits können Niederfrequenz- Verarbeitungsfunktionen eine Funktion, wie das Messen von natürlichen Herzschlägen, eine Stimulation, eine langsame Telemetrie, eine Datenübertragung über eine Telefonleitung, eine Fernüberwachung, Batterieprüfungen und dergleichen, aufweisen.

Wenn der Prozessor 202 während eines vorgegebenen Zeitraums Hochfrequenz-Verarbeitungsfunktionen ausführt, kann durch die Taktquelle 204 zum Betrieb des Prozessors 202 eine relativ hohe Taktfrequenz (beispielsweise etwa 250 kHz bis etwa 10 MHz) zugeführt werden. Die Reglerschnittstelle 210 erfaßt die zum Betrieb während der hochentwickelten Verar beitungsfunktion an den Prozessor 202 angelegte höhere Taktfrequenz und legt an den Spannungsregler 212 ein Steuersignal zum Regeln der Versorgungsspannungsquelle 206 an. Die Versorgungsspannungsquelle 206 kann durch den Spannungsregler 212 gesteuert arbeiten und eine Versor gungsspannung innerhalb eines vorgegebenen Bereichs, vorzugsweise zwischen etwa 1,1 Volt und etwa 3 Volt, lie fern. Wenn eine hohe Taktfrequenz verwendet wird, um den Prozessor 202 in bezug auf Hochfrequenz-Verarbeitungs funktionen zu betreiben, legt die Versorgungsspannungs quelle 206 im allgemeinen eine Versorgungsspannung, die im oberen Bereich der bevorzugten Versorgungsspannungen liegt, an die CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Bauelemente des Prozessors 202 an.

Wenn der Prozessor 202 andererseits während vorgegebener Zeiträume Niederfrequenz-Verarbeitungsfunktionen ausführt, signalisiert die Taktsteuerung 208 der Taktquelle 204, eine niedrigere Frequenz zum Betrieb des Prozessors 202 anzule gen. Dabei erfaßt die Reglerschnittstelle 210 die zum Betreiben des Prozessors 202 verwendete niedrigere Frequenz und gibt ein Steuersignal an den Spannungsregler 212 aus, um die Versorgungsspannungsquelle 206 so zu regeln, daß eine niedrigere Versorgungsspannung im unteren Ende des bevorzugten Bereichs von Versorgungsspannungen an die CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS- Bauelemente des Prozessors 202 angelegt wird.

Es wird Fachleuten verständlich sein, daß zwischen den oben beschriebenen Fähigkeiten bei einer höheren Frequenz und denjenigen bei einer niedrigeren Frequenz eine Verarbei tungsfähigkeit bei einer mittleren Frequenz erreicht werden kann und daß der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die Verarbeitung bei nur zwei Taktfrequenzen und bei zwei entsprechenden Versorgungsspannungen beschränkt ist. Statt dessen können gemäß der vorliegenden Erfindung mit zugeordneten Taktfrequenzen und entsprechenden an den Prozessor 202 angelegten Versorgungsspannungen mehrere Ebenen der Verarbeitungsfähigkeit erreicht werden.

Fig. 4C zeigt eine Ausführungsform des Taktsteuerungs- Verarbeitungssystems 200. Wie darin dargestellt ist, wird während des ganzen Herzzyklus mit einem vorgegebenen Zeit raum x eine hohe Frequenz zum Steuern des Betriebs des Prozessors 202 während des Zeitraums 71 des Herzzykluszeit raums x, beispielsweise während der Verarbeitung des QRS- Komplexes, verwendet. Danach wird während des Zeitraums y zum Steuern des Betriebs des Prozessors 202 eine niedrigere Taktfrequenz verwendet, um irgendwelche einer Anzahl verschiedener Funktionen, wie Herzereignis/EMI-Unterschei dungsfunktionen, auszuführen. Während des Betriebs des Prozessors 202 bei der höheren Taktfrequenz während des Zeitraums 71 wird eine höhere Versorgungsspannung von der Versorgungsspannungsquelle 206 an die als CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Schaltungs anordnungen ausgebildeten Bauelemente des Prozessors 202 angelegt. Ebenso wird während des Betriebs des Prozessors 202 bei der niedrigeren Taktfrequenz und während des Zeitraums y des ganzen Herzzyklus-Zeitraums x eine niedrigere Versorgungsspannung von der Versorgungs spannungsquelle 206 an die CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Bauelemente des Prozessors 202 angelegt.

Weiterhin kann, wie in Fig. 7 dargestellt ist, eine optio nale Substratvorspannung 214 zum dynamischen Einstellen der Schwellenspannung (V_T) der als CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Schaltungsanordnungen ausge bildeten Bauelemente des Prozessors 202 als Funktion der von der Taktquelle 204 an den Prozessor 202 angelegten Taktfrequenz verwendet werden. Die Reglerschnittstelle 202 erfaßt die zum Steuern des Betriebs des Prozessors 202 verwendete Taktfrequenz und steuert den Spannungspegel der an die CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Bauelemente des Prozessors 202 anzulegenden Substrat vorspannung 214. Die dynamische Einstellung der Schwellen spannung kann durch eine einstellbare oder wählbare Span nungsquelle verwirklicht werden, bei der beispielsweise eine Ladungspumpe und ein Regler verwendet werden. Die Substratvorspannung und die "normale" Gate-Spannung bilden eine Gate-Vorspannung oder eine Spannung für den Transi stor. Durch Einstellen der Substratvorspannung wird die "auftretende" Spannung bei einer resultierenden Verringe rung des Leckstroms erhöht.

Fig. 8 ist ein vereinfachtes Diagramm einer implantier baren medizinischen Vorrichtung 260, für die die vorlie gende Erfindung nützlich ist. Die implantierbare medizini sche Vorrichtung 260 ist in der Nähe des Herzens 264 eines Säugetiers in einen Körper 250 implantiert. Die implantier bare medizinische Vorrichtung 260 ist über Leitungen 262 mit dem Herzen 264 verbunden. Wenn die Vorrichtung 260 ein Schrittmacher ist, sind die Leitungen 262 Stimulations- und Wahrnehmungsleitungen zum Wahrnehmen elektrischer Signale, die mit der Depolarisation und Repolarisation des Herzens 264 einhergehen, und sie stellen in der Umgebung ihrer distalen Enden Stimulierimpulse bereit. Die implantierbare medizinische Vorrichtung 260 kann ein implantierbarer Herzschrittmacher in der Art derjenigen sein, die im Bennett u. a. erteilten US-Patent 5 158 078, im Shelton erteilten US-Patent 5 387 228, im Shelton u. a. erteilte US-Patent 5 312 453 oder im Olson erteilten US-Patent 5 144 949 offenbart sind, auf die hier alle in ihrer jeweiligen Gesamtheit verwiesen sei und die alle gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft modifiziert werden können.

Die implantierbare medizinische Vorrichtung 260 kann auch ein Schrittmacher/Kardioverter/Defibrillator (PCD) entspre chend einem der verschiedenen kommerziell erhältlichen implantierbaren PCDs sein, wobei einer von ihnen hier mit Bezug auf Fig. 10 beschrieben wird und detailliert im US-Patent 5 447 519 beschrieben ist. Zusätzlich zum im US-Patent 5 447 519 beschriebenen PCD kann die vorliegende Erfindung in Zusammenhang mit PCDs in der Art derjenigen verwirklicht werden, die im Olson u. a. erteilten US-Patent 5 545 186, im Keimel erteilten US-Patent 5 354 316, im Bardy erteilten US-Patent 5 314 430, im Pless erteilten US-Patent 5 131 388 oder im Baker u. a. erteilten US-Patent 4 821 723 offenbart sind, auf die hier alle in ihrer jeweiligen Gesamtheit verwiesen sei. Diese Vorrichtungen können in der Hinsicht unter Verwendung der vorliegenden Erfindung verwendet werden, daß bei ihnen Schaltungs anordnungen und/oder Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder sie durch diese modifiziert werden können.

Alternativ kann die implantierbare medizinische Vorrichtung 260 ein implantierbarer Nervenstimulator oder Muskelstimu lator in der Art derjenigen sein, die im Obel u. a. erteil ten US-Patent 5 199 428, im Carpentier u. a. erteilten US-Patent 5 207 218 oder im Schwartz erteilten US-Patent 5 330 507 offenbart sind, oder sie kann eine implantierbare Überwachungsvorrichtung in der Art derjenigen sein, die im Bennett u. a. erteilten US-Patent 5 331 966 offenbart ist, auf die hier alle in ihrer jeweiligen Gesamtheit verwiesen sei.

Schließlich kann die implantierbare medizinische Vorrich tung 260 ein Kardioverter, ein implantierbarer Impulsgene rator (IPG) oder ein implantierbarer Kardioverter-Defibril lator (ICD) sein.

Es sei jedoch bemerkt, daß der Schutzumfang der vorliegen den Erfindung nicht nur auf implantierbare medizinische Vorrichtungen oder andere medizinische Vorrichtungen beschränkt ist sondern jeden beliebigen Typ elektrischer Vorrichtungen einschließt, bei dem CMOS-, CML-(Strommodus logik)-, SOS-(Silicium-auf-Saphir)-, SOI-(Silicium-auf- Isolator)-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Schaltungsanord nungen oder Schaltungsentwürfe verwendet werden, bei denen eine niedrige Leistungsaufnahme erwünscht ist.

Im allgemeinen weist die implantierbare medizinische Vor richtung 260 ein luftdicht abgeschlossenes Gehäuse auf, das eine elektrochemische Zelle in der Art einer Lithium batterie, eine CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Schaltungsanordnung, die den Betrieb der Vorrichtung steuert, und eine Antenne und eine Schaltung eines Telemetrie-Sende-Empfangs-Geräts, worüber Abwärts- Telemetriebefehle von einer externen Programmiereinrichtung empfangen und gespeicherte Daten in einer Telemetrie- Aufwärtsverbindung zu diesem gesendet werden, aufweist. Die Schaltungsanordnung kann als diskrete Logik verwirklicht sein und/oder ein Mikrocomputergestütztes System mit einer A/D-Umwandlung beinhalten.

Es sei bemerkt, daß der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht auf spezielle elektronische Eigenschaften und Operationen spezieller implantierbarer medizinischer Vorrichtungen beschränkt ist und daß die vorliegende Erfin dung in Zusammenhang mit verschiedenen implantierbaren Vorrichtungen nützlich sein kann. Weiterhin ist der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht auf implan tierbare medizinische Vorrichtungen beschränkt, die nur einen einzigen Prozessor aufweisen, sondern sie kann auch auf Mehrfachprozessorvorrichtungen angewendet werden.

In Fig. 9 ist ein Blockdiagramm dargestellt, in dem die Bauteile des Schrittmachers 300 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt sind. Der Schrittmacher 300 weist eine Mikroprozessor-gestützte Architektur auf. Der in Fig. 9 veranschaulichte Schrittmacher 300 ist nur eine als Beispiel dienende Ausführungsform solcher Vorrich tungen, es sei jedoch bemerkt, daß die vorliegende Erfin dung in jeder Logik-gestützten, kundenspezifisch integrier ten Schaltungsarchitektur oder in jedem Mikroprozessor gestützten System verwendet werden kann.

Bei der in Fig. 9 dargestellten der Veranschaulichung dienenden Ausführungsform ist der Schrittmacher 300 vor zugsweise durch eine externe Programmiereinheit (in den Figuren nicht dargestellt) programmierbar. Eine solche für die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignete Program miereinrichtung ist die im Handel erhältliche Programmier einrichtung vom Modell 9790 von Medtronic. Die Programmier einrichtung ist eine Mikroprozessor-gestützte Vorrichtung, die dem Schrittmacher 300 durch einen Programmierkopf, der codierte Hochfrequenzsignale (HF-Signale) zur Antenne 334 des Schrittmachers 300 sendet, eine Reihe codierter Signale zuführt, wobei dies nach einem Telemetriesystem geschieht, wie es beispielsweise im Wyborny u. a. erteilten US-Patent 5 127 404 beschrieben ist, auf das hiermit in seiner Gesamtheit verwiesen sei. Es sei jedoch bemerkt, daß jede Programmiermethode verwendet werden kann, solange die gewünschten Informationen zum Schrittmacher und von diesem übertragen werden.

Die in Fig. 9 veranschaulichend dargestellte Schritt machervorrichtung 300 ist über Leitungen 302 elektrisch mit dem Herzen 264 eines Patienten gekoppelt. Eine Leitung 302a weist eine Elektrode 306 auf, die über einen Eingangs kondensator 308 mit einem Knoten 310 in der Schaltungs anordnung des Schrittmachers 300 gekoppelt ist. Eine Leitung 302b ist mit einer Druckschaltungsanordnung 354 der Ein-/Ausgabeschaltung 312 gekoppelt, um der Schaltung 354 ein Drucksignal vom Sensor 309 zuzuführen. Das Drucksignal wird verwendet, um Stoffwechselanforderungen und/oder die Herzausgangsleistung eines Patienten sicherzustellen. Weiterhin liefert ein Aktivitätssensor 351 in der Art eines piezokeramischen Beschleunigungsmessers eine Sensorausgabe zur Aktivitätsschaltung 352 der Ein-/Ausgabeschaltung 312. Die Sensorausgabe ändert sich als Funktion eines gemessenen Parameters, der Stoffwechselanforderungen eines Patienten betrifft. Die Ein-/Ausgabeschaltung 312 enthält Schaltungen zum Koppeln mit dem Herzen 264, dem Aktivitätssensor 351, der Antenne 334, dem Drucksensor 309 und Schaltungen zum Anlegen von Stimulationsimpulsen an das Herz 264, um seine Rate durch unter Verwendung von Software realisierte Algo rithmen in der Mikrocomputereinheit 314 als Funktion von ihnen zu steuern.

Die Mikrocomputereinheit 314 beinhaltet vorzugsweise eine auf der Platine angeordnete Schaltung 316, die einen Mikro prozessor 320, eine Systemtaktschaltung 322 und einen auf der Platine angeordneten Direktzugriffsspeicher (RAM) 324 sowie einen auf der Platine angeordneten Nurlesespeicher (ROM) 326 aufweist. Bei dieser der Veranschaulichung dienenden Ausführungsform beinhaltet eine außerhalb der Platine angeordnete Schaltung 328 eine RAM/ROM-Einheit. Die auf der Platine angeordnete Schaltung 316 und die außerhalb der Platine angeordnete Schaltung 328 sind jeweils durch einen Kommunikationsbus 330 mit der digitalen Steuerungs- /Zeitgeberschaltung 332 gekoppelt.

Die in Fig. 9 dargestellten Schaltungen werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine geeignete implantierbare Batterie-Versorgungsspannungsquelle 301 (beispielsweise eine in den Fig. 1-7 allgemein dargestellte Spannungs quelle) gespeist. Der Klarheit wegen ist die Kopplung der Versorgungsspannungsquelle 301 mit verschiedenen Schaltun gen des Schrittmachers 300 in den Figuren nicht darge stellt. Weiterhin werden die durch ein in Fig. 9 darge stelltes Taktsignal gesteuert arbeitenden Schaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Taktquelle 338 betrieben. Der Klarheit wegen ist die Kopplung dieser Taktsignale von der Taktquelle 338 (beispielsweise einer in den Fig. 1-7 allgemein dargestellten Taktquelle) mit solchen CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Schaltungen des Schrittmachers 300 in den Figuren nicht dargestellt.

Die Antenne 334 ist an die Ein-/Ausgabeschaltung 312 ange schlossen, um eine Aufwärts/Abwärts-Telemetrie über eine HF-Sender- und Empfängereinheit 336 zu ermöglichen. Die Einheit 336 kann der Telemetrie- und Programmlogik, die im Thompson u. a. erteilten US-Patent 4 556 063 offenbart ist, auf das hiermit in seiner Gesamtheit verwiesen sei oder derjenigen, die im oben erwähnten Wyborny u. a. erteilten Patent offenbart ist, entsprechen.

Eine Bezugsspannungs-(VREF)- und Vorspannungsschaltung 340 erzeugt eine stabile Bezugsspannung und Vorspannungsströme für Schaltungen der Ein-/Ausgabeschaltung 312. Eine Analog- Digital-Wandler-(ADC)- und Multiplexereinheit 342 digitali siert Analogsignale und Spannungen zum Bereitstellen von intrakardialen "Echtzeit"-Telemetriesignalen und einer Batterielebensdauerende-(EOL)-Austauschfunktion. Eine Ein schalt-Rücksetz-Schaltung 341 wirkt als Einrichtung zum Rücksetzen von Schaltungsanordnungen.

Betriebsbefehle zur Zeitsteuerung des Schrittmachers 300 werden über den Bus 330 mit der digitalen Steuerungs- /Zeitgeberschaltung 332 gekoppelt, in der digitale Zeit geber und Zähler das ganze Escapeintervall des Schritt machers 300 sowie verschiedene Refraktär-, Austast- und andere Zeitfenster zum Steuern des Betriebs der in der Ein- /Ausgabeschaltung 312 angeordneten Peripheriebauteile einrichten.

Die digitale Steuerungs-/Zeitgeberschaltung 332 ist vor zugsweise mit einer Wahrnehmungsschaltungsanordnung 345 und mit einem Elektrogramm-(EGM)-Verstärker 348 zum Empfangen verstärkter und verarbeiteter Signale, die von der an der Leitung 302a angeordneten Elektrode 306 wahrgenommen werden, gekoppelt. Diese Signale repräsentieren die elek trische Aktivität des Herzens 264 des Patienten. Ein Meß verstärker 346 der Schaltungsanordnung 345 verstärkt die wahrgenommenen elektrokardialen Signale und führt einer Spitzenwertwahrnehmungs- und Schwellenwert-Meßschaltungs anordnung 347 ein verstärktes Signal zu. Die Schaltung 347 liefert der digitalen Steuerungs-/Zeitgeberschaltung 332 wiederum auf einem Weg 357 einen Hinweis auf wahrgenommene Spitzenspannungen und gemessene Meßverstärker-Schwellen spannungen. Weiterhin wird einem Vergleicher/Schwellen wertdetektor 349 ein verstärktes Meßverstärkersignal zugeführt. Der Meßverstärker kann demjenigen entsprechen, der im Stein erteilten US-Patent 4 379 459 offenbart ist, auf das hiermit in seiner Gesamtheit verwiesen sei.

Das vom EGM-Verstärker 348 bereitgestellte Elektrogramm signal wird verwendet, wenn die implantierte Vorrichtung 300 durch eine externe Programmiereinrichtung (nicht darge stellt) aufgefordert wird, durch Aufwärts-Telemetrie eine Darstellung eines analogen Elektrogramms der elektrischen Herzaktivität des Patienten zu übertragen. Diese Funktions weise ist beispielsweise im Thompson u. a. erteilten US-Patent 4 556 063, auf das zuvor verwiesen wurde, darge stellt.

Ein Ausgangsimpulsgenerator und Verstärker 350 führt in Reaktion auf ein von der digitalen Steuerungs-/Zeitgeber schaltung 332 bereitgestelltes Stimulationsauslösesignal dem Herz 264 des Patienten über einen Kopplungskondensator 305 und die Elektrode 306 Schrittmacher-Stimulationsimpulse zu. Der Ausgangsverstärker 350 kann im wesentlichen dem im Thompson erteilten US-Patent 4 476 868, auf das hier ebenfalls in seiner Gesamtheit verwiesen sei, offenbarten Ausgangsverstärker entsprechen. Die Schaltungen aus Fig. 9 umfassen CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Schaltungsanordnungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung arbeiten können und den Prozessor 320, die digitale Steuerungs-/Zeitgeberschaltung 332, den RAM 324, den ROM 326, die RAM-/ROM-Einheit 328 und den Analog- Digital-Wandler/Multiplexer (ADC/Mux) 342 einschließen.

Fig. 10 ist ein schematisches Funktionsdiagramm aus dem Peterson erteilten US-Patent 5 447 519, in dem ein implan tierbarer PCD 400 dargestellt ist, bei dem die vorliegende Erfindung nützlich angewendet werden kann. Dieses Diagramm zeigt lediglich einen als Beispiel dienenden Typ einer Vorrichtung, bei der die Erfindung verwirklicht werden kann, und es sollte nicht als den Schutzumfang der vorlie genden Erfindung einschränkend angesehen werden. Andere implantierbare medizinische Vorrichtungen in der Art der zuvor beschriebenen, die Funktionsorganisationen aufweisen, bei denen die vorliegende Erfindung nützlich sein kann, können auch gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert werden. Die vorliegende Erfindung wird beispielsweise auch als in Zusammenhang mit implantierbaren PCDs nützlich angesehen, wie sie im Wielders u. a. erteilten US-Patent 4 548 209, im Adams u. a. erteilten US-Patent 4 693 253, im Haluska u. a. erteilten US-Patent 4 830 006 und im Pless u. a. erteilten US-Patent 4 949 730 offenbart sind, auf die hier alle in ihrer jeweiligen Gesamtheit verwiesen sei.

Der der Veranschaulichung dienende PCD 400 ist mit sechs Elektroden 401, 402, 404, 406, 408 und 410 versehen. Die Elektroden 401 und 402 können ein Paar dicht benachbarter Elektroden sein, die beispielsweise im Ventrikel des Herzens 264 angeordnet sind. Die Elektrode 404 kann einer fernen Blindelektrode entsprechen, die sich am Gehäuse des implantierbaren PCDs 400 befindest. Die Elektroden 406, 408 und 410 können großflächigen Defibrillationselektroden, die sich an Leitungen zum Herzen 264 befinden, oder epikardia len Elektroden entsprechen.

Die Elektroden 401 und 402 sind als mit der Nahfeld-R- Zacken-Detektorschaltung 419 festverdrahtet dargestellt (sie sind also in geringem Abstand angeordnete Elektroden), wobei die Nahfeld-R-Zacken-Detektorschaltung 419 einen mit einem Bandpaßfilter versehenen Verstärker 414, eine selbst tätige Schwellenwertschaltung 416 (zum Bereitstellen einer einstellbaren Wahrnehmungsschwelle als Funktion der gemes senen R-Zacken-Amplitude) und einen Vergleicher 418 auf weist. Ein Rout-Signal 464 wird immer dann erzeugt, wenn das zwischen den Elektroden 401 und 402 gemessene Signal eine von der selbsttätigen Schwellenwertschaltung 416 festgelegte Wahrnehmungsschwelle übersteigt. Weiterhin wird die Verstärkung am Verstärker 414 durch eine Zeitablauf- und Steuerschaltungsanordnung 420 des Schrittmachers einge stellt. Das Wahrnehmungssignal wird beispielsweise verwen det, um die Zeitfenster festzulegen und aufeinanderfolgende Wellenformdaten für Morphologieerfassungszwecke anzuordnen. Beispielsweise kann das Wahrnehmungsereignissignal 464 über die Schrittmacher/Zeitgeber-Steuerschaltung 420 auf einem Bus 440 zu einem Prozessor 424 geleitet werden und als ein Unterbrechungssignal für den Prozessor 424 wirken, so daß vom Prozessor 424 eine bestimmte Operationsroutine, wie beispielsweise eine Morphologieerfassung oder Unterschei dungsfunktionen, eingeleitet wird.

Eine Schaltmatrix 412 wird verwendet, um durch den Prozes sor 424 gesteuert über den Daten-/Adreßbus 440 verfügbare Elektroden derart auszuwählen, daß die Auswahl zwei Elek troden beinhaltet, die in Zusammenhang mit einer Tachy kardie/Fibrillations-Unterscheidungsfunktion (beispiels weise eine Funktion zum Unterscheiden zwischen einer Tachy kardie, also einer abnorm schnellen Herzrate, und einer Fibrillation, also unkoordinierten und unregelmäßigen Herzschlägen, um eine geeignete Behandlung anzuwenden) als ein Paar von Fernfeldelektroden (also in einem weiten Abstand angeordneten Elektroden) verwendet werden. Fern feld-EGM-Signale von den ausgewählten Elektroden werden über einen Bandpaßverstärker 434 und zu einem Multiplexer 432 übertragen, wo sie durch einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 430 in digitale Datensignale umgewandelt werden, um durch eine Direktspeicherzugriffs-Schaltungsanordnung 428 gesteuert in einem Direktzugriffsspeicher 426 gespeichert zu werden. Beispielsweise kann eine Reihe von EGM-Komplexen für mehrere Sekunden ausgeführt werden.

Die in Fig. 10 dargestellten Schaltungen werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine geeignete implantierbare Batterie-Versorgungsspannungsquelle 490 (beispielsweise eine in den Fig. 1-7 allgemein dargestellte Spannungs quelle) gespeist. Der Klarheit wegen ist die Kopplung der Versorgungsspannungsquelle 490 mit verschiedenen Schaltun gen des PCDs 400 in den Figuren nicht dargestellt. Weiter hin werden die durch ein in Fig. 10 dargestelltes Takt signal gesteuert arbeitenden Schaltungen gemäß der vorlie genden Erfindung durch eine Taktquelle 491 betrieben. Der Klarheit wegen ist die Kopplung dieser Taktsignale von der Taktquelle 491 (beispielsweise einer in den Fig. 1-7 allgemein dargestellten Taktquelle) mit solchen CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Schaltungen des PCDs 400 in den Figuren nicht dargestellt.

Das Auftreten eines R-Zacken-Wahrnehmungsereignisses oder des Meßsignals Rout 464 wird dem Prozessor 424 mitgeteilt, um eine vom Prozessor 424 durchgeführte Morphologieanalyse der Wellenformen einzuleiten, die bei einer Auswahl einer Behandlung für das Herz 264 nützlich ist. Der Prozessor kann beispielsweise die summierte von Schlag zu Schlag betrachtete Veränderlichkeit des Herzens 264, R-Zacken- Wahrnehmungsereignisse trennende Zeitintervalle und ver schiedene andere Funktionen berechnen, wie in zahlreichen Entgegenhaltungen unter Einschluß der hier bereits ange führten und in verschiedenen anderen Entgegenhaltungen, die implantierbare PCDs betreffen, dargelegt ist.

Andere Teile des PCDs 400 aus Fig. 10 dienen dem Bereit stellen von Herzstimulations-, Kardioversions- und Defibrillationsbehandlungen. Hinsichtlich der Herzstimula tion beinhaltet die Zeitablauf-/Steuerschaltung 420 des Schrittmachers programmierbare Digitalzähler, die die grundlegenden Zeitintervalle, die der Herzstimulation zugeordnet sind, steuern, wobei diese die Stimulations- Escapeintervalle, die Refraktärperioden, während derer wahrgenommene R-Zacken die Zeitsteuerung der Escape intervalle nicht neu starten können, und dergleichen ein schließen. Die Dauern dieser Intervalle werden typischer weise durch den Prozessor 424 festgelegt und über den Adreß-/Datenbus 440 zur Zeitgeber/Steuerschaltung 420 des Schrittmachers übertragen. Weiterhin bestimmt die Zeit ablauf-/Steuerschaltung des Schrittmachers durch den Pro zessor 424 gesteuert auch die Amplitude dieser Herzstimula tionsimpulse, und eine Stimulations-Ausgangsschaltung 421 führt diese Impulse dem Herzen zu.

Wenn eine Tachyarrhythmie (also eine Tachykardie) erfaßt wird und eine Antitachyarrhythmie-Stimulationstherapie erwünscht ist, werden geeignete Zeitintervalle zum Steuern der Erzeugung von Antitachykardie-Stimulationsbehandlungen vom Prozessor 424 in die Zeitablauf- und Steuerschaltungs anordnung 420 geladen. Wenn in ähnlicher Weise die Erzeu gung eines Kardioversions- oder Defibrillationsimpulses erforderlich ist, verwendet der Prozessor 424 die Zähler und die Zeitablauf- und Steuerschaltungsanordnung 420 zum Steuern des Zeitablaufs dieser Kardioversions- und Defibrillationsimpulse.

Auf die Erfassung einer Fibrillation oder einer Tachykardie hin, die einen Kardioversionsimpuls erforderlich macht, aktiviert der Prozessor 424 eine Kardioversions- /Defibrillations-Steuerschaltungsanordnung 454, die durch eine Hochspannungs-Ladeleitung 452 gesteuert das Aufladen der Hochspannngskondensatoren 456, 458, 460 und 462 über eine Ladeschaltung 450 einleitet. Danach wird die Zuführung der Zeitsteuerung des Defibrillations- oder Kardioversions impulses durch die Zeitablauf-/Steuerschaltungsanordnunsr 420 des Schrittmachers gesteuert. Verschiedene Ausführungs formen eines geeigneten Systems zum Zuführen und Synchroni sieren von Kardioversions- und Defibrillationsimpulsen und zum Steuern der sie betreffenden Zeitsteuerungsfunktionen sind in näheren Einzelheiten im Keimel erteilten US-Patent 5 188 105 offenbart, auf das hiermit in seiner Gesamtheit verwiesen sei. Eine andere solche Schaltungsanordnung zum Steuern des Zeitablaufs und der Erzeugung von Kardio versions- und Defibrillationsimpulsen ist im Zipes erteil ten US-Patent 4 384 585, im Pless u. a. erteilten US-Patent 4 949 719 und im Engle u. a. erteilten US-Patent 4 375 817 offenbart, auf die hier alle in ihrer Gesamtheit verwiesen sei. Weiterhin ist eine bekannte Schaltungsanordnung zum Steuern des Zeitablaufs und der Erzeugung von Antitachy kardie-Stimulationsimpulsen im Berkovits u. a. erteilten US-Patent 4 577 633, im Pless u. a. erteilten US-Patent 4 880 005, im Vollmann u. a. erteilten US-Patent 4 726 380 und im Holley u. a. erteilten US-Patent 4 587 970, auf die hier alle in ihrer Gesamtheit verwiesen sei, beschrieben.

Die Auswahl einer bestimmten Elektrodenkonfiguration zum Zuführen der Kardioversions- oder Defibrillationsimpulse wird über eine Ausgangsschaltung 448 unter der Steuerung durch die Kardioversions/Defibrillations-Steuerschaltung 454 über einen Steuerbus 446 gesteuert. Die Ausgangs schaltung 448 bestimmt, welche der Hochspannungselektroden 406, 408 und 410 beim Zuführen der Defibrillations- oder Kardioversionsimpulsbehandlungen verwendet wird.

Die Bauteile des PCDs 400 aus Fig. 10 umfassen CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Schaltungs anordnungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung arbeiten können und den Prozessor 424, die Steuerschaltungen 420 und 454, den RAM 426, die DMA 428, den ADC 430 und den Multi plexer 432 einschließen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können der in Fig. 9 dargestellte Schrittmacher 300 und der in Fig. 10 darge stellte PCD 400 beide gemäß den hier zuvor mit Bezug auf die Fig. 1-7 verallgemeinerten Ausführungsformen verwirklicht werden. Zuerst sei beispielsweise mit Bezug auf den in Fig. 9 dargestellten Schrittmacher 300 bemerkt, daß die Spannungsversorgungsquelle 301 des Schrittmachers 300 in einer zuvor mit Bezug auf die Fig. 1-7 beschriebenen Weise verwirklicht werden kann. Ebenso kann die Taktquelle 338 des Schrittmachers 300 in einer mit Bezug auf die Fig. 1-7 beschriebenen Weise verwirk licht werden. In ähnlicher Weise können die Taktquelle 491 des in Fig. 10 dargestellten PCDs 400 und die Spannungs versorgungsquelle 490 des in Fig. 10 dargestellten PCDs 400 gemäß den hier zuvor mit Bezug auf die Fig. 1-7 beschriebenen verallgemeinerten Ausführungsformen verwirk licht werden.

Bei einem der Veranschaulichung dienenden Beispiel können der ADC/Mux 342, der HF-Sender/Empfänger 336, die digitale Steuerungs-Zeitgeber-Schaltung 332 und verschiedene andere CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS- Schaltungen bei von der Taktquelle 338 verfügbaren unter schiedlichen Taktfrequenzen individuell betrieben werden. Ebenso können diese Schaltungen bei entsprechenden Versor gungsspannungen betrieben werden, die für jede der Schal tungen verschieden sein können. Weiterhin kann der HF-Sender/Empfänger 336 während eines bestimmten Zeitraums (beispielsweise bei einer Aufwärtsverbindung) bei einer von der Taktquelle 338 erhältlichen bestimmten Taktfrequenz und bei einer von der Versorgungsspannungsquelle 301 erhältli chen bestimmten Versorgungsspannung, die der bestimmten Taktfrequenz entspricht, betrieben werden. Andererseits kann die Schaltung 336 während eines anderen Zeitraums (beispielsweise während einer Abwärtsverbindung) bei einer völlig verschiedenen Taktfrequenz und Versorgungsspannung betrieben werden. Die automatische Einstellung von Tele metrieparametern unter bestimmten Umständen ist im Goedeke u. a. erteilten US-Patent 5 683 432 beschrieben.

Mit Bezug auf Fig. 10 sei weiterhin bemerkt, daß die A/D- Wandlerschaltung 430, die Kardioverter/Defibrillator- Steuerschaltung 454 und verschiedene andere Schaltungen, wie der RAM 426, die DMA 428 und der Multiplexer 432, auch bei von der Taktquelle 491 erhältlichen unterschiedlichen Taktfrequenzen und bei von der Versorgungsspannungsquelle 490 erhältlichen entsprechenden unterschiedlichen Versor gungsspannungen betrieben werden können. Eine Telemetrie schaltung (in den Figuren nicht dargestellt) kann überdies mit dem PCD 400 aus Fig. 10 verwendet werden und auch bei von der Taktquelle 491 erhältlichen unterschiedlichen Taktfrequenzen und bei von der Versorgungsspannungsquelle 490 erhältlichen entsprechenden unterschiedlichen Versor gungsspannungen betrieben werden. Weiterhin kann der Pro zessor 424 abhängig von der vom Prozessor 424 ausgeführten Funktion (wie mit Bezug auf Fig. 7 beschrieben) bei unter schiedlichen Taktgeschwindigkeiten betrieben werden. Eine Morphologieerfassung bei typischen physiologischen Raten (d. h. 50 bis 150 Schlägen je Minute) kann beispielsweise bei einer ersten Taktfrequenz und einer entsprechenden Versorgungsspannung vorgenommen werden, während eine Arrythmieerfassung bei einer anderen Taktfrequenz und entsprechenden Versorgungsspannung vorgenommen werden kann.

In Fig. 11 ist ein digitales Signalverarbeitungssystem (DSP-System) 500 mit veränderlichem Takt und veränderlicher Versorgungsspannung dargestellt, das in Zusammenhang mit bestimmten in den Fig. 9 und 10 dargestellten Schaltun gen und/oder alternativ zu diesen verwendet werden kann. Das DSP-System 500 gemäß Fig. 11 kann beispielsweise an Stelle der Aktivitätsschaltung 352, der Druckschaltung 354, der Meßverstärkerschaltung 346 (für P-Zacken-, R-Zacken- und/oder T-Zacken-Meßverstärker) verwendet werden, und es kann unter Verwendung eines Pseudo-EKG-Signals 502 weiter mit zusätzlichen Funktionen versehen werden. Im allgemeinen wird eine Anzahl von Analogsignalen 499, wie beispielsweise Pseudo-EKG-Signale 502, ein Aktivitätssensorsignal 503 und ein Druck- und Einsetzsensorsignal 504, über jeweilige Verstärker 505-507 bereitgestellt. Die verstärkten Signale werden an einen Multiplexer 510 übergeben, der sie in zyklischer Weise einem Analog-Digital-Wandler (ADC) 516 des digitalen Signalverarbeitungssystems 500 zuführt. Die Signale 502-504 können durch zyklisches Abfragen der Ausgänge der mehreren Verstärker/Vorverstärker 505-507 zyklisch wiederholt werden, wie in der anhängigen US-Patentanmeldung 08/801 335 mit der Aktennummer P-4521 von Medtronic mit dem Titel "Method for Compressing Digitized Cardiac Signals Combining Lossless Compression and Non-linear Sampling", in der eine veränderliche Kompression durch ADC-Abtastung beschrieben ist und auf die hier in ihrer Gesamtheit verwiesen sei, beschrieben ist. Der ADC kann auch veränderliche Umwandlungsraten aufweisen, wie im US-Patent 5 263 486 und im US-Patent 5 312 446 beschrieben ist, auf die hiermit in ihrer jeweiligen Gesamtheit verwiesen sei.

Eine Ein-/Ausgabeschnittstelle 514 und Programmregister 512 werden durch eine Zeitsteuerungsschaltung (in den Figuren nicht dargestellt) gesteuert verwendet, um das Anlegen der Analogsignale vom Multiplexer 510 an den ADC 516 des DSP- Systems 500 zu steuern, der diese umgewandelten Digital signale wiederum einem Digitalfilter 518 zuführt, um einem Wellenformanalyseprozessor 520 (also einem digitalen Signalprozessor (DSP)) ein Signal zuzuführen. Der Wellen formanalyseprozessor 520 kann zum Verringern der Leistungs aufnahme gemäß wenigstens einer Ausführungsform der vorlie genden Erfindung abhängig von den speziellen vorliegenden Verarbeitungsanforderungen bei unterschiedlichen Geschwin digkeiten getaktet oder "fliegend" gesteuert werden. Bei spielsweise arbeitet der Wellenformanalyseprozessor 520 nur während eines QRS-Komplexes in einem schnellen Verarbei tungsmodus bei einer relativ hohen Frequenz. Während des restlichen Herzzyklus kann der DSP-Prozessor 520 umgekehrt bei einer viel niedrigeren Taktfrequenz "im Leerlauf arbei ten". Dieser Verarbeitungszyklus wurde zuvor mit Bezug auf Fig. 4C beschrieben.

Ein Fachmann wird nun erkennen, daß gemäß den anderen Erscheinungsformen der vorliegenden Erfindung zusätzlich zur für verschiedene Abschnitte des Herzzyklus verwendeten niedrigeren Taktgeschwindigkeit dann, wenn die Prozessor geschwindigkeit verringert wird, auch der Versorgungs spannungspegel (V_DD) entsprechend verringert werden kann. Auf diese Weise wird die verringerte Leistungsaufnahme erreicht, wie zuvor beschrieben wurde.

Fig. 12 ist ein allgemeines schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung 600 einschließlich einer analogen Schal tungsanordnung 602 und einer digitalen Schaltungsanordnung 604 (einschließlich einer Taktschaltung 605). An die digi tale Schaltungsanordnung (beispielsweise in der CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Technologie) ist eine feste Versorgungsspannung (V_digital) von einer Leistungsquelle 608 angelegt, die irgendein Typ einer elektrochemischen Zelle oder einer Batterie sein kann, der zur Verwendung in einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung geeignet ist und die geeignete Spannung bereit stellt. Einige Beispiele dieser Batterien oder Zellen, die bei der vorliegenden Erfindung angewendet werden, sind u. a. Lithiumiod, Lithiummangan, Nickelcadmium, Nickelmetall hydrid, Zinkmanganoxid, Zinksilberoxid, Zinkquecksilber oxid, Lithiumsilbervanadiumoxid, Lithiumionen, zweiwertiges Silberoxid und Silberoxid aufweisende elektrochemische Zellen oder Batterien. Es kann zumindest bei einigen der vorhergehend erwähnten chemischen Systeme erforderlich sein, die Spannung herabzusetzen.

Die zum Betrieb der digitalen Schaltungsanordnung angelegte feste Versorgungsspannung V_digital wird niedrig gehalten, um die Leistungsaufnahme zu verringern, wie zuvor beschrieben wurde. Die von den CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Schaltungsanordnungen aufgenommene Leistung ist beispielsweise zum Quadrat der Versorgungsspannung proportional. Daher ist zum Verringern der Leistungs aufnahme eine niedrigere Versorgungsspannung erforderlich.

Bei implantierbaren Vorrichtungen ist es jedoch aus ver schiedenen Gründen, wie einer geringen Schaltungsbauhöhe, kleiner Signalamplituden (die die Verstärkerempfindlichkeit im Ergebnis verringern können), geringer Signal-Rausch- Verhältnisse, verringerter Gleichtaktunterdrückungs verhältnisse (CMRR), einer verringerten Telemetriesende leistung, Problemen mit der Spannungsregelung und der Stromquelle und dergleichen, häufig schwierig, die analoge Schaltungsanordnung 602 so auszulegen, daß sie bei so niedrigen Versorgungsspannungen arbeitet.

Daher weist die Vorrichtung 600 vorzugsweise weiterhin gemäß der vorliegenden Erfindung eine Spannungserzeugungs schaltung 606 zum Erzeugen wenigstens einer festen Versor gungsspannung (V_analog) auf, die an die analoge Schaltungs anordnung 602 anzulegen ist. Der Spannungserzeugungs schaltung 606 wird zum Erzeugen der Versorgungsspannung V_analog die Versorgungsspannung V_digital zugeführt. Die Span nungserzeugungsschaltung 606 kann eine beliebige Anzahl vorgegebener oder fester Spannungen, die größer als V_digital sind, erzeugen, um verschiedene analoge Schaltungen zu versorgen. Beispielsweise benötigen Ausgangsschaltungen möglicherweise eine höhere Spannung als andere Verstär kungsschaltungen. Die Spannungserzeugungsschaltung 606 erzeugt beide (±)-Versorgungsspannungen (V_DD und V_SS), um nur die analoge Schaltungsanordnung 602 zu speisen.

Der digitalen Schaltungsanordnung 604 wird die niedrigere Spannung V_digital zugeführt. Wie bei der vorliegenden Erfin dung erwogen wird, liegt die untere feste oder vorgegebene Versorgungsspannung V_digital beispielsweise im Bereich von etwa 1,1 bis etwa 1,6 Volt beim Lebensdaueranfang (BOL) bis etwa 0,8 bis etwa 1,0 Volt beim Lebensdauerende (EOL). Die erzeugte feste Versorgungsspannung V_analog liegt im Bereich von etwa ± 3,0 Volt bis etwa ± 2,0 Volt.

Ein Pegelverschieber 610 kann zum Verschieben von Logik signalen und/oder von Steuersignalen zwischen der analogen Schaltungsanordnung 602 und der digitalen Schaltungsanord nung 604 verwendet werden. Diese Pegelverschiebung kann infolge der Differenz zwischen der an die digitale Schal tungsanordnung 604 angelegten Versorgungsspannung und der an die analoge Schaltungsanordnung 602 angelegten Versor gungsspannung erforderlich sein.

Wie zuvor oben beschrieben wurde, wird bei einer Verringe rung der Versorgungsspannung (V_DD) auch die Schwellen spannung (V_T) für die Schaltungen verringert. Bei Verwen dung niedrigerer Schwellenwertpegel erhöhen sich die stati schen Stromentnahmeverluste infolge der niedrigeren Versor gungsspannungen um mehrere Größenordnungen, was unerwünscht ist. Eine Substratvorspannungsquelle 609 kann daher zum Bereitstellen von Substratvorspannungen für die digitale Schaltungsanordnung 604 verwendet werden. Auf diese Weise können statische Leckstromverluste minimiert werden, weil die äquivalente höhere Schwellenspannung wiederhergestellt worden ist. Die Substratvorspannung kann beispielsweise durch eine feste Spannungsquelle (beispielsweise eine Ladungspumpe) bereitgestellt werden, die über einen Kontakt an die Wanne des rückseitigen Gates angeschlossen ist. Alternativ kann ein aktives Substratvorspannungsschema verwendet werden, bei dem die Spannungsquelle über einen geeigneten Bereich auswählbar oder einstellbar ist. Substratvorspannungen können in irgendeiner bekannten Weise in der Art der zuvor beschriebenen angelegt werden.

Fig. 13 ist ein detaillierteres schematisches Block diagramm einer Ausführungsform eines Schrittmachers 700, der sehr dem in Fig. 9 dargestellten ähnelt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine niedrigere Versorgungs spannung V1 (beispielsweise von einer 1,1-Volt-Quelle 710) an eine digitale Schaltungsanordnung 702 des Schrittmachers 700 angelegt, wobei eine Ladungspumpenschaltung 706 verwen det wird, um mindestens eine höhere Versorgungsspannung V2 (beispielsweise 3,0 Volt) zu erzeugen, die an eine analoge Schaltungsanordnung 704 des Schrittmachers 700 anzulegen ist.

Die digitale Schaltungsanordnung 702 kann beispielsweise Schaltungen in der Art der oben mit Bezug auf den Schritt macher 300 und Fig. 13 beschriebenen aufweisen. Die digi tale Schaltungsanordnung 702 kann beispielsweise eine Steuerungs-/Zeitgeber- und -Prozessorschaltung 714 (ein schließlich einer Taktschaltung 715) oder Speicherschaltun gen in der Art von RAM/ROM-Schaltungen 716 zur Kommunika tion mit der Steuerungs-/Zeitgeber- und -Prozessorschaltung 714 aufweisen. Diese Bauteile und Funktionsweisen werden mit Bezug auf Fig. 9 beschrieben.

Die analoge Schaltungsanordnung 704 kann die zuvor mit Bezug auf Fig. 9 beschriebenen analogen Schaltungen des Schrittmachers 300 aufweisen. Diese analogen Schaltungen können beispielsweise atrielle und ventrikuläre Meßverstär ker zum Empfangen von A-Wahrnehmungssignalen vom Atrium des Herzens 764 und zum Empfangen von V-Wahrnehmungssignalen vom Ventrikel des Herzens 764 aufweisen. Diese Meß verstärkerschaltungen sind über Kondensatoren C1 und C2 mit sich zum Herzen 764 erstreckenden Leitungen gekoppelt, um das V-Wahrnehmungs-(ventrikuläre Wahrnehmung)- und das A-Wahrnehmungs-(atrielle Wahrnehmung)-Signal vom Herzen 764 zu empfangen. Meßverstärkerschaltungen übertragen dann ein A-Ereignis-Signal zur Steuereinrichtung 714, wenn ein atrielles Ereignis (also ein natürliches atrielles Ereignis oder eine P-Zacke) erfaßt wird, und übertragen ein V-Ereig nis-Signal zur Steuereinrichtung 714, wenn ein ventrikulä res Ereignis (eine natürliche R-Zacke) erfaßt wird. Die analoge Schaltungsanordnung 704 kann zum Ausführen dieser Erfassung auch Bandpaßfilter und Erfassungsschaltungsanord nungen aufweisen. Weiterhin kann die analoge Schaltungs anordnung 704 Schaltungsanordnungen zur T-Zacken-Erfassung, wie einen T-Zacken-Verstärker, ein Bandpaßfilter oder eine Einfangerfassungsschaltungsanordnung, aufweisen.

Die analoge Schaltungsanordnung 704 kann verschiedene andere Schaltungen, wie Analog-Digital-Wandler (ADCs), Spannungsbezug- und Stromquellenschaltungen, Telemetrie- Sende- und Empfangsschaltungsanordnungen, Sensorverstär kungsschaltungsanordnungen sowie Bandpaß-, Erfassungs- und Treiberschaltungsanordnungen, die mit diesen Sensoren (beispielsweise winzigen Atmungsaktivitäts-, Druck-, Tempe ratur-, pH-Wert-, pCO₂- oder Sauerstoffsensoren), verwendet werden, EKG-Verstärker und Bandpaßfilter, wie Verstärker für A-Wahrnehmungssignale, V-Wahrnehmungssignale und T-Zacken-Signale, die für Telemetriezwecke zu verwenden sind, Ausgangsschaltungen und Pumpschaltungen, wie die jenigen, die im Shelton erteilten US-Patent 5 387 228 beschrieben sind, Batterieüberwachungsschaltungen, Ein schalt-Rücksetz-Schaltungen und beliebige Schaltungen, die allgemein als analoge Schaltungen ausgelegt sind, auf weisen.

In Fig. 14 ist eine alternative Ausführungsform für zumin dest einen Teil der mit Bezug auf Fig. 13 beschriebener analogen Schaltungsanordnung 704 dargestellt. Die Funktio nen von einigen der analogen Schaltungen, beispielsweise der Meßverstärker, können unter Verwendung einer Schal tungsanordnung 780 verwirklicht werden, die analoge Schal tungen 782 (beispielsweise Vorverstärker, ADCs und derglei chen) aufweist und die weiter einen oder mehrere digitale Signalprozessoren (DSPs) 784 zum Ausführen einer Analyse von Daten aufweist, die durch die analogen Schaltungen 782 zu diesen übertragen wurden. Eine ähnliche veranschau lichende Ausgestaltung wurde oben mit Bezug auf Fig. 11 beschrieben. Dabei wird gemäß der vorliegenden Erfindung, wie mit Bezug auf die Fig. 12 bis 14 beschrieben wurde, die Versorgungsspannung V1 an DSP(s) 784 angelegt, während die Ladungspumpenspannung V2 als die Versorgungsspannung für analoge Schaltungen 782 verwendet wird.

Die Ladungspumpenschaltung 706 wird verwendet, um beide (±)-Versorgungsspannungen (V_DD und V_SS) zum Speisen der analogen Schaltungsanordnung 704 zu erzeugen. Es können verschiedene Konfigurationen für die Ladungspu 07860 00070 552 001000280000000200012000285910774900040 0002019951488 00004 07741mpenschaltung 706 verwendet werden. Die Ladungspumpenschaltung 706 kann beispielsweise unter Verwendung der im Shelton erteilten US-Patent 5 387 228 beschriebenen Techniken verwirklicht werden. Die Ladungspumpenschaltung 706 kann beispielsweise geregelt sein, z. B. unter Verwendung einer Ladungsverglei cherschaltung zum Regeln der Spannung, oder sie kann unge regelt sein. Die ungeregelte Spannung kann sich ändern, wenn sich die Spannungsquelle V1 beispielsweise infolge einer schwachen Batterie ändert. Weiterhin können eine oder mehrere Versorgungsspannungen von der Ladungspumpen schaltung 706 ausgegeben werden, wenn die Spannung V1 auf unterschiedliche Amplituden gepumpt wird. Es kann mehr als eine Versorgungsspannung von der Ladungspumpenschaltung 706 bereitgestellt werden, oder es kann mehr als eine Ladungs pumpenschaltung 706 verwendet werden, um mehrere Versor gungsspannungen bereitzustellen, wobei jede Ladungspumpen spannung größer ist als die Versorgungsspannung V1. Das heißt, daß eine Ladungspumpenspannung eine andere Ladungs pumpenspannung übersteigen kann.

Die mit Bezug auf Fig. 13 beschriebenen Versorgungs spannungen V1 und V2 (wobei also unterschiedliche Versor gungsspannungen an die analoge bzw. die digitale Schaltungsanordnung angelegt werden) sind feste vorgegebene Spannungen. Mit anderen Worten wird die gepumpte vorgege bene feste Spannung V2 immer dann an die analogen Schaltun gen angelegt, wenn sie in Betrieb sind, wohingegen eine gepumpte Spannung nur dann an Schaltungen angelegt wird, wenn es ersichtlich ist, daß eine schwache Batterie vor liegt. Diese Spannungen werden zu dem Zeitpunkt festgelegt, zu dem die Schaltungen entworfen werden, und sie ändern sich nicht, außer möglicherweise dann, wenn die Batterien noch niedrigere Ladungszustände aufweisen.

Der Schrittmacher 700 kann zusätzlich einen Pegelverschie ber 708 aufweisen. Der Pegelverschieber 708 kann zum Ver schieben von Logiksignalen und/oder Steuersignalen zwischen der analogen Schaltungsanordnung 704 und der Steuereinrich tung und dem Prozessor 714 verwendet werden. Diese Pegel verschiebung kann infolge der Differenz zwischen der an die digitale Schaltungsanordnung 702 angelegten Versorgungs spannung und der an die analoge Schaltungsanordnung 704 angelegten Versorgungsspannung erforderlich sein. Ein solcher Spannungspegelverschieber kann in verschiedenen Konfigurationen ausgeführt sein. Beispielsweise sind der Veranschaulichung dienende Spannungspegelverschieber im US-Patent 4 663 701 beschrieben, auf das hiermit in seiner Gesamtheit verwiesen sei.

Fachleute werden nun erkennen, daß die Technik zum Anlegen einer niedrigeren Versorgungsspannung an digitale Schal tungsanordnungen einer Vorrichtung, bei der eine relativ hohe Ladungspumpenspannung an ihre analogen Schaltungs anordnungen angelegt sind, in ähnlicher Weise wie mit Bezug auf einen Schrittmacher beschrieben auch auf andere medizi nische oder implantierbare Vorrichtungen anwendbar sein kann. Das Anlegen unterschiedlicher Spannungen an die analogen und digitalen Schaltungsanordnungen des oben mit Bezug auf Fig. 10 beschriebenen PCDs kann beispielsweise zum Verringern der Leistungsaufnahme verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung ist mit verschiedenen Herstel lungstechnologien verträglich, wobei diese Silicium-auf- Isolator-(SOI)-, Silicium-auf-Saphir-(SOS)-, Strommodus logik-(CML)-, BICMOS-, PMOS- und NMOS-Technologien sowie herkömmliche Silicium-CMOS-Technologien einschließen, jedoch nicht auf diese beschränkt sind. Im Takamasa erteil ten US-Patent 4 359 653, im Burgener u. a. erteilten US-Patent 5 416 043, im Kim erteilten US-Patent 5 538 908 sowie im Matsushita u. a. erteilten US-Patent 5 705 421, auf die hier alle in ihrer jeweiligen Gesamtheit verwiesen sei, sind Prozesse und Verfahren zur Herstellung integrierter Schaltungen beschrieben, die zumindest für einige der vorhergehend erwähnten Typen integrierter Schaltungen verwendbar sind.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht infolge der Art, in der die Leistungsaufnahme verringert ist, daß Vorrichtun gen, bei denen DSPs verwendet werden, mehrere Funktionen ausführen. Weiterhin können infolge der verringerten Leistungsaufnahme bei verringerten Versorgungsspannungen für die Prozessoren auf mehreren Prozessoren beruhende Systeme verwirklicht werden.

Zusätzlich können bei verringerter Leistungsaufnahme Vor richtungen gemäß der vorliegenden Erfindung weitere Funk tionen hinzugefügt werden, um eine Vorrichtung mit einem erweiterten Funktionsumfang bereitzustellen, die jedoch eine niedrigere oder die gleiche Leistungsaufnahme aufweist wie herkömmliche Vorrichtungen aus dem Stand der Technik. Ein Prozessor gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei spielsweise verschiedene Morphologieerfassungsfunktionen, wie ein Unterscheiden von retrograden P-Zacken und antegra den P-Zacken von EGM-Wellenformen, ein Unterscheiden von P-Zacken von Fernfeld-R-Zacken, ein Unterscheiden einer AF- A-Flimmer-AT von einer Sinustachykardie, ein Unterscheiden eines VT-VF-V-Flimmerns von einer SVT, ein Unterscheiden von Herzsignalen von einer elektromagnetischen Störung und dergleichen, ausführen. Weiterhin können beispielsweise auch verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfin dung zum Erfassen oder Herausfiltern einer elektromagneti schen Störung (EMI) verwendet werden, die von Einbruchs detektoren, Leitungssignalen, HF-Rauschen, Myopotentialen und dergleichen ausgehen oder von diesen erzeugt werden.

Die vorhergehenden speziellen Ausführungsformen veranschau lichen die Anwendung der Erfindung. Es ist daher zu verste hen, daß andere Hilfsmittel, die Fachleuten bekannt sind oder hier offenbart sind, verwendet werden können, ohne von der Erfindung oder vom Schutzumfang der anliegenden Ansprü che abzuweichen. Die vorliegende Erfindung ist beispiels weise nicht auf die Verwendung irgendwelcher bestimmter digitaler oder analoger Schaltungen beschränkt. Weiterhin brauchen die Spannungen nicht auf einem vordefinierten Pegel angelegt zu werden, sondern sie müssen nur unter schiedlich sein. Wenngleich eine Ladungspumpe zum Erzeugen der hier beschriebenen höheren Versorgungsspannung bevor zugt ist, kann es andere Spannungserzeugungsvorrichtungen geben, die die gewünschten Spannungspegel zum Anlegen an analoge Schaltungen erzeugen können. Die vorliegende Erfin dung ist auch nicht auf eine Verwendung in Zusammenhang mit Schrittmachern oder PCDs beschränkt, sondern sie kann in anderen relevanten Bereichen weitere Anwendungen finden, in denen eine niedrige Leistungsaufnahme erwünscht ist, wie beispielsweise auf den Gebieten der Personalcomputer oder der Telekommunikation. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung umfaßt weiterhin die Verwendung anderer hier in Zusammenhang mit dem Anlegen unterschiedlicher Versorgungs spannungen an analoge und digitale Schaltungen beschriebe ner Techniken (wie beispielsweise zeitgerechte Taktvorrich tungen und -verfahren).

In den Ansprüchen sollen Einrichtungs- und Funktionsaussa gen die hier beschriebenen Strukturen einschließen, welche die angeführte Funktion und gleichwertige Formen ausführen. Die Einrichtungs- und Funktionsaussagen in den Ansprüchen sollen nicht nur auf strukturell gleichwertige Formen beschränkt sein sondern auch Strukturen einschließen, die in der Umgebung der beanspruchten Kombination gleichwertig arbeiten.

Claims

1. Medizinische Vorrichtung, aufweisend:
eine oder mehrere analoge Schaltungen, die mindestens eine Funktion ausführen können,
eine oder mehrere digitale Schaltungen, die mindestens eine Funktion ausführen können,
eine Leistungsquelle zum Anlegen einer ersten festen Ver sorgungsspannung an die eine oder mehreren digitalen Schal tungen und
eine Spannungserzeugungsschaltung, an die die erste feste Versorgungsspannung angelegt ist, wobei die Spannungserzeugungsschaltung mindestens eine zweite feste Versorgungsspannung erzeugt, die an die eine oder mehreren analogen Schaltungen anzulegen ist, und daß die zweite feste Versorgungsspannung weiter größer ist als die erste feste Versorgungsspannung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Spannungserzeugungsschaltung eine Ladungspumpenschaltung zum Erzeugen der zweiten festen Versorgungsspannung auf der Grundlage der ersten festen Versorgungsspannung ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die erste Versorgungsspannung im Bereich zwischen etwa 0,8 Volt und etwa 1,5 Volt liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die zweite Versorgungsspannung im Bereich zwischen etwa ± 2,0 Volt und etwa ± 3,0 Volt liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner eine Einrichtung zum Einstellen der Substratvorspannung von mindestens einer der einen oder mehreren digitalen Schaltungen aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die eine oder die mehreren digitalen Schaltungen mindestens einen von einem Prozessor, einer Steuereinrichtung und einem Speicher aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die eine oder die mehreren analogen Schaltungen mindestens einen von einem atriellen Meßverstärker, einem ventrikulären Meßverstärker, einem T-Zacken-Verstärker, einem oder mehreren Bandpaßfiltern, einer oder mehreren Erfassungs schaltungen, einer oder mehreren Sensorverstärkungsschal tungen, einer oder mehreren Verstärkungsschaltungen für physiologische Signale, einer oder mehreren Ausgangs schaltungen, einer Batterieüberwachungsschaltung und einer Einschalt-Rücksetz-Schaltung aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die eine oder die mehreren digitalen Schaltungen mindestens einen digitalen Signalprozessor aufweisen, an den die erste Versorgungsspannung angelegt ist und der Daten empfängt, die ein oder mehrere analoge Signale repräsentieren.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die eine oder die mehreren analogen Schaltungen mindestens eine Verstärkerschaltung zum Verstärken des einen oder der mehreren analogen Signale aufweisen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner einen Pegelverschieber zum Verschieben von Signalen zwischen der einen oder den mehreren analogen Schaltungen und der einen oder den mehreren digitalen Schaltungen aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche eine luftdicht abgeschlossene implantierbare medizinische Vorrichtung ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei welcher die implantierbare medizinische Vorrichtung aus der aus einem implantierbaren Stimulator, einem implantierbaren Nervenstimulator, einem implantierbaren Schrittmacher, einem IPG, einem implantierbaren Kardioverter, einem implantierbaren PCD, einem implantierbaren Defibrillator, einem implantierbaren ICD und einer implantierbaren Medika mentenpumpe bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher mindestens eine der einen oder mehreren analogen Schaltungen Schaltungen eines Typs aufweist, der aus der aus CMOS- Schaltungen, CML-Schaltungen, SOS-Schaltungen, SOI- Schaltungen, BICMOS-Schaltungen, PMOS-Schaltungen und NMOS- Schaltungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

14. Verfahren zum Sparen von Leistung für eine medizinische Vorrichtung, welches die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen von einer oder mehreren analogen Schaltungen der medizinischen Vorrichtung,
Bereitstellen von einer oder mehreren digitalen Schaltungen der medizinischen Vorrichtung,
Anlegen einer ersten festen Versorgungsspannung an die eine oder mehreren digitalen Schaltungen und
Erzeugen einer zweiten festen Versorgungsspannung zum Anlegen an die eine oder die mehreren analogen Schaltungen unter Verwendung der ersten festen Versorgungsspannung, wobei die zweite feste Versorgungsspannung größer ist als die erste feste Versorgungsspannung.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem der Schritt des Erzeugens der zweiten festen Versorgungsspannung den Schritt des Erzeugens der zweiten festen Versorgungsspannung unter Verwendung einer Ladungspumpen schaltung aufweist.

16. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die erste feste Versorgungsspannung im Bereich zwischen etwa 0,8 Volt und etwa 1,5 Volt liegt.

17. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die zweite feste Versorgungsspannung im Bereich zwischen etwa ± 2,0 Volt und etwa ± 3,0 Volt liegt.

18. Verfahren nach Anspruch 14, welches ferner den Schritt des Einstellens der Substratvorspannung von mindestens einer der einen oder mehreren digitalen Schaltungen aufweist.

19. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem der Schritt des Bereitstellens der einen oder mehreren digitalen Schaltungen das Bereitstellen von mindestens einem von einem Prozessor, einer Steuereinrichtung und einem Speicher aufweist.

20. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem der Schritt des Bereitstellens der einen oder der mehreren analogen Schaltungen den Schritt des Bereitstellens von mindestens einem von einem atriellen Meßverstärker, einem ventrikulären Meßverstärker, einem T-Zacken-Verstärker, einem oder mehreren Bandpaßfiltern, einer oder mehreren Erfassungsschaltungen, einer oder mehreren Sensorverstär kungsschaltungen, einer oder mehreren Verstärkungsschaltun gen für physiologische Signale, einer oder mehreren Aus gangsschaltungen, einer Batterieüberwachungsschaltung und einer Einschalt-Rücksetz-Schaltung aufweist.

21. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem der Schritt des Bereitstellens der einen oder der mehreren digitalen Schaltungen den Schritt des Bereitstellens von mindestens einem digitalen Signalprozessor aufweist, an den die erste Versorgungsspannung angelegt ist und der Daten empfängt, die ein oder mehrere analoge Signale repräsentieren.

22. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem der Schritt des Bereitstellens der einen oder der mehreren analogen Schaltungen den Schritt des Bereitstellens von mindestens einer Verstärkerschaltung zum Verstärken des einen oder der mehreren analogen Signale aufweist.

23. Verfahren nach Anspruch 14, welches ferner den Schritt des Verschiebens der Spannungspegel der zwischen der einen oder den mehreren analogen Schaltungen und der einen oder den mehreren digitalen Schaltungen übertragenen Signale aufweist.

24. Verfahren nach Anspruch 14, welches ferner den Schritt des Bereitstellens einer luftdicht abgeschlossenen implan tierbaren medizinischen Vorrichtung aufweist.

25. Verfahren nach Anspruch 24, bei welchem der Schritt des Bereitstellens der implantierbaren medizinischen Vorrichtung weiter den Schritt des Bereitstellens einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung aufweist, die aus der aus einem implantierbaren Stimulator, einem implantierbaren Nervenstimulator, einem implantierbaren Schrittmacher, einem IPG, einem implantierbaren Kardio verter, einem implantierbaren PCD, einem implantierbaren Defibrillator, einem implantierbaren ICD und einer implan tierbaren Medikamentenpumpe bestehenden Gruppe ausgewählt wird.

26. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem der Schritt des Bereitstellens der einen oder der mehreren analogen Schaltungen weiter den Schritt des Bereitstellens einer Schaltungsanordnung eines Typs aufweist, der aus der aus CMOS-Schaltungen, CML-Schaltungen, SOS-Schaltungen, SOI- Schaltungen, BICMOS-Schaltungen, PMOS-Schaltungen und NMOS- Schaltungen bestehenden Gruppe ausgewählt wird.