En la extensa documentación disponible en internet, Texas Instruments (www.ti.com) ofrece una gran cantidad de recursos para el proyectista de equipos de ayuda auditiva. Esta documentación abarca desde análisis de los desafíos que enfrentan los proyectistas al proyectar este tipo de equipos hasta sugerencias de componentes específicos que pueden utilizarse como soluciones para los proyectos finales. Incluso se pueden encontrar placas de evaluación para que los interesados puedan comprobar el rendimiento de los componentes de Texas Instruments en este tipo de proyecto.
Nota: Artículo publicado en la revista Saber Electrónica 435 de abril de 2009. ART5607
En este artículo, hemos recopilado informaciones de esta documentación y la compartimos con los lectores interesados.
Los proyectistas de aparatos de ayuda auditiva se enfrentan a numerosos retos. Los equipos de ayuda auditiva deben ser extremadamente pequeños para caber dentro o detrás de la oreja de las personas, deben consumir muy poca energía y no introducir ruido alguno en el sonido amplificado.
Los aparatos utilizados deben consumir menos de 1 mA, operar con tensiones del orden de 1 V y utilizar una superficie de silicio inferior a 10 mm2. Por lo tanto, un aparato de ayuda auditiva típico consta de un amplificador con una función de entrada/salida no lineal y una ganancia dependiente de la frecuencia. Este banda de respuesta en frecuencia debe programarse según la pérdida auditiva de cada persona, que normalmente se presenta en puntos específicos del espectro.
Las soluciones tradicionales basadas en circuitos analógicos presentan numerosas dificultades de proyecto que pueden superarse fácilmente con el uso de circuitos digitales. Los dispositivos digitales se pueden programar y adaptar fácilmente a diversas condiciones ambientales. El uso de recursos de microcontroladores y DSPs también puede proporcionar a los equipos características funcionales que los equipos analógicos no poseen. La figura 1 muestra un ejemplo de un circuito digital que utiliza un microcontrolador MSP430 y en un CODEC AlC111.
Los aparatos de ayuda auditiva tienen características específicas, ya que la pérdida auditiva no siempre se presenta de la misma manera. La pérdida auditiva suele clasificarse en dos categorías: pérdida auditiva conductiva y pérdida auditiva neurosensorial (SNI-1L). La figura 2 muestra una curva típica y pérdida auditiva por la edad, destacando que las bandas más afectadas son precisamente las de las frecuencias más altas.
Cuando la pérdida auditiva se produce por conducción, la amplificación suele ser suficiente para restaurar casi por completo la audición. Sin embargo, este tipo de pérdida sólo representa un porcentaje muy pequeño de casos, alrededor del 5 %. Sin embargo, el otro tipo de pérdida requiere un procesamiento de señales más sofisticado, como en el caso de la pérdida auditiva relacionada con la edad, donde se obtienen audiogramas diferentes para cada persona.
Dependiendo de las bandas de frecuencia afectadas, las personas pueden sufrir una pérdida significativa de inteligibilidad, lo que dificulta la comprensión de lo que dicen los demás. Por lo tanto, corregir las bandas de frecuencia afectada es fundamental para restaurar la capacidad auditiva, lo que requiere técnicas avanzadas de procesamiento de sonido, solo posibles con soluciones digitales.
Los aparatos de ayuda auditiva tradicionales constan de un amplificador no lineal, un micrófono, un auricular, una pila de zinc-aire y algunas características que permiten ajustar el ancho de banda según las necesidades de corrección del usuario. Esta corrección suele proporcionarse mediante circuitos de compresión o ganancia que pueden activarse o desactivarse según la banda de frecuencia a reforzar.
Por otro lado, los aparatos digitales modernos permiten a los audiólogos programarlos con diversos parámetros que se pueden ajustar según las necesidades de cada paciente. Estas características incluyen control automático de ganancia, protección contra sonidos excesivamente altos, mejor inteligibilidad, eliminación de ruido de fondo, etc.
En muchos casos, se utilizan ASICs para integrar todos estos recursos. Estos ASICs contienen una serie de algoritmos, como, por ejemplo, múltiples bandas de frecuencia para programación, micrófonos individuales, duales para audición direccional y otras características importantes.
Ejemplo de Proyecto
Texas Instruments ofrece diversas posibilidades de proyecto en este ámbito, incluyendo las basadas en DSPs. Los proyectos de DSPs pueden incorporar funciones de software avanzadas, como modelado de curvas de respuesta, reducción de retroalimentación, reducción de ruido, procesamiento binaural, filtrado, reducción de reverberación y entrega directa de señal en el caso de un teléfono digital, un televisor u otro equipo de audio. La figura 3 muestra el esquema de bloques de dicho dispositivo.
Otra posibilidad interesante que ofrecen los aparatos con esta tecnología es la opción de cambiar de programa según situaciones de uso específicas, como por ejemplo cuando la inteligibilidad se vuelve difícil.
El esquema de bloques de la figura 3 muestra los elementos principales de un aparato de ayuda auditiva digital. Este aparato suele constar de tres pastillas semiconductores superpuestas: EEPROM o memoria no volátil, un dispositivo digital y un dispositivo analógico. Algunos avances recientes en tecnologías de integración permiten integrar dos o incluso tres de estos dispositivos en uno solo chip.
El circuito normalmente está proyectado para funcionar con tensiones a partir de 0,9 V debido a las variaciones que pueden ocurrir con el tiempo en la tensión de una sola celda, entre 0,9 y 1,35 V. Las funciones de administración de energía permiten maximizar la vida útil de la batería y al mismo tiempo advertir al usuario cuando se acerca al final de su vida útil.
El conversor A/D suele ser del tipo sigma-delta, con un banda de frecuencia de hasta 20 kHz y una resolución de 16 bits (14 bits - lineal). El dispositivo digital también incluye el DSP, la interfaz de programación y la etapa de salida. El amplificador de salida es digital (PWM), con salida de clase D, y utiliza la impedancia de los auriculares para realizar la conversión digital a analógica.
El consumo de corriente de un circuito analógico típico oscila entre 0,7 y 1,0 mA, mientras que en los digitales el consumo es menor quedando en la banda de 0,5 mA y 0,7 mA. Una batería zinco-aire de 30 mAh a 60 mAh con una corriente de auto descarga de 50 µA es normalmente utilizada para suministrar este sistema. Este consumo garantiza una excelente autonomía para el aparato.
EL CODEC de Audio AIC111
Un componente de Texas Instruments que destaca en este tipo de aplicaciones es el AIC111, compatible con DSP de micropotencia o microcontroladores, proporcionando un alto rendimiento al ser utilizado en aplicaciones médicas como aparatos de ayuda auditiva, procesamiento de audio, auriculares de baja potencia, etc.
El AIC111 admite una interfaz SPI digital CMOS de 1,3 V e incluye una fuente de alimentación externa para la alimentación y polarización del micrófono. Este componente también incluye un monitor e indicador de batería baja.
La figura 4 muestra el esquema de bloques del circuito integrado AIC111, un códec de audio de microconsumo. Puede obtener información completa sobre este componente, incluyendo los circuitos de aplicación, descargando su datasheet directamente del sitio web de Texas Instruments.
El AIC111 es un códec de audio compatible con DSPs de micropotencia y microcontroladores, también puede utilizarse como circuito analógico de interfaz de audio . Este componente consume tan solo 350 µA con energía de 1,3 V, y una banda dinámica de 87 dB con -73 dB con una distorsión armónica total de en la banda de 10 Hz a 10 kHz, y con una tasa de muestreo de 40 kHz. El ruido de salida típico es de 12 µVrms con una distorsión armónica total del 0,05 % para el DAC Delta-Sigma y driver de salida de puente H. El dispositivo es ideal para interactuar con microcontroladores de la serie MSP430xx y DSPs de las series TMS320VC54x y TMS320VC55x.
La figura 5 muestra un ejemplo de una aplicación que interfiere con un DSP de la serie TMS320VC54xx. El AIC111 se suministra en varios tipos de cubiertas, como un QFN de 32 pinos midiendo 5 x 5 mm y Bumped Die de 32 pads.
Conclusión
Con la variedad de dispositivos e interfaces digitales disponibles hoy en día, es más sencillo proyectar aparatos digitales de ayuda auditiva. Lo que hemos visto en este artículo son solo algunas sugerencias basadas en la documentación de Texas Instruments.
