淺析模擬信號(hào)路徑在便攜醫(yī)療設(shè)備中的技術(shù)要求

致力于開(kāi)發(fā)醫(yī)療診斷設(shè)備的公司面臨的挑戰(zhàn)就是要為消費(fèi)者提供物美價(jià)廉的產(chǎn)品。在降低醫(yī)護(hù)成本和改善病人護(hù)理服務(wù)方面，最重要的是能縮小這些醫(yī)療設(shè)備的體積并提高其精確度。在人口老化問(wèn)題日趨嚴(yán)重的今天，上述需求顯得更為迫切。根據(jù)IMS調(diào)查公司的InMedica報(bào)告，消費(fèi)類(lèi)醫(yī)療設(shè)備的銷(xiāo)售總額到2011年時(shí)預(yù)計(jì)可超過(guò)50億美元。

醫(yī)療設(shè)備監(jiān)護(hù)功能的開(kāi)發(fā)與不斷完善，遠(yuǎn)程護(hù)理供應(yīng)商能夠在人類(lèi)健康的幾個(gè)重要領(lǐng)域?yàn)榫蛹一颊摺⒓卑Y室救護(hù)員以至醫(yī)院提供更佳的診斷工具。血壓計(jì)血糖儀、除顫器等監(jiān)護(hù)類(lèi)儀器均需要清晰的模擬信號(hào)來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，否則便可能危及生命。設(shè)計(jì)卓越的模擬信號(hào)路徑可幫助設(shè)計(jì)人員降低外來(lái)噪聲的干擾、擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍和加強(qiáng)精確度。此外，在組件選擇方面，設(shè)計(jì)人員也必須謹(jǐn)慎選擇以滿足最終產(chǎn)品的性能需求。

小封裝中的高性能需求

此前，人們通常認(rèn)為醫(yī)院和診所的醫(yī)療設(shè)備比家居使用的便攜儀器更為精確?？墒牵碌募夹g(shù)趨勢(shì)正迅速扭轉(zhuǎn)著上述的觀點(diǎn)。新的便攜式醫(yī)療設(shè)備面的使用者不僅僅有普通消費(fèi)者，還有深具科技領(lǐng)悟力的病人，因此客戶的需要不再局限于量體溫、做心電圖和測(cè)血壓?？蛻粜枰氖侨轿坏淖o(hù)理及測(cè)量功能。

為了滿足人們對(duì)家居醫(yī)療診斷儀器的迫切需求，設(shè)備供應(yīng)商正憑借先進(jìn)的貨存管理和創(chuàng)新設(shè)計(jì)來(lái)增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，并為產(chǎn)品配備更多的功能來(lái)爭(zhēng)取更多的用戶。在開(kāi)發(fā)家居醫(yī)療儀器的領(lǐng)域，有一個(gè)因素是非常重要的，這就是產(chǎn)品從最初設(shè)計(jì)到真正投放市場(chǎng)期間所需的開(kāi)發(fā)時(shí)間。縮短上市時(shí)間，可以讓廠商的產(chǎn)品搶占市場(chǎng)。而能否將開(kāi)發(fā)周期縮短取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)是否足夠靈活并具成本效益。

工藝技術(shù)影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雖然電氣規(guī)格是設(shè)計(jì)人員選擇組件的主要因素，但用來(lái)制造集成電路的工藝也同樣重要。例如，典型的血糖計(jì)通常需配合一個(gè)帶有極低輸入偏置電流的運(yùn)算放大器，大多數(shù)的設(shè)計(jì)人員都會(huì)選用JFET放大器。不過(guò)，他們?cè)谧鞒鰶Q定前應(yīng)先考慮一下溫度的問(wèn)題。

由于JFET擁有一個(gè)很低的初始輸入偏置，因此它很易受到溫度變化的影響，每上升10°C ，輸入偏置便會(huì)大約增加一倍。要計(jì)算出輸入偏置的漂移，可使用下列的數(shù)式（參考1）。

Ib（T）Ib（T0） x 2（T-T0）/10

例如，一個(gè)JFET輸入運(yùn)算放大器（例如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LF411）在25 °C下的輸入偏置電流為50pA，而一個(gè)更佳的選擇是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LMP7731，它是一款雙極輸入運(yùn)算放大器，其輸入偏置電流為1.5nA。通過(guò)上述數(shù)式，我們可以很快地計(jì)算出在85°C下，LF411的輸入偏置電流變成3.2nA，超出LMP7731的兩倍。

評(píng)估系統(tǒng)的取舍

速度、噪聲和功耗對(duì)于某些設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)可能同樣重要，一個(gè)低噪聲器件會(huì)消耗比較多的電流，而一個(gè)低功耗的器件則只可提供有限的帶寬。一個(gè)克服這些問(wèn)題的方法是在適當(dāng)?shù)膽?yīng)用中使用反補(bǔ)償放大器。與單位增益穩(wěn)定和速度較高這兩點(diǎn)相比，反補(bǔ)償放大器的優(yōu)點(diǎn)除了成本比較低之外，是其可在不影響功耗的情況下提供較大的帶寬。

反補(bǔ)償運(yùn)算放大器最適合使用在電流-電壓轉(zhuǎn)換（跨阻）電路。在醫(yī)療儀器中，其中一個(gè)最普遍的應(yīng)用是測(cè)量血細(xì)胞中的含氧量，稱為SPO2或飽和或外圍氧氣。圖1所示為SPO2模塊的框圖，當(dāng)中的反補(bǔ)償放大器（TIA）用來(lái)將來(lái)自光二極管的電流轉(zhuǎn)化成電壓。

圖1 SPO2模塊的典型框圖

利用捷徑縮短設(shè)計(jì)時(shí)間

醫(yī)療儀器的最重要參數(shù)是噪聲，它可以導(dǎo)致電路本身和附近的設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。計(jì)算噪聲是一項(xiàng)比較沉悶的工作，尤其當(dāng)您想計(jì)算出從電源、放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以至外部組件，信號(hào)路徑對(duì)信噪比的整體影響。

一般來(lái)說(shuō)，醫(yī)療儀器電路都傾向采用較低的頻率來(lái)工作，因此這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員通常會(huì)比較關(guān)心處于0.1到10Hz頻帶以內(nèi)的噪聲，也稱為峰到峰噪聲。但不幸地是，有些數(shù)據(jù)表并沒(méi)有提供時(shí)域噪聲（峰到峰）的數(shù)值，而只會(huì)提供電壓或電流噪聲密度的典型圖表。除了等待電路的供應(yīng)商提供測(cè)量數(shù)據(jù)外，有一個(gè)快速的方法可幫助推算出峰到峰的噪聲量。

假設(shè)您打算利用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LMP7731來(lái)推算峰到峰（0.1到10Hz）電壓的噪聲量，首先，在指定頻帶內(nèi)的頻率范圍中選擇出一個(gè)點(diǎn)，例如是1Hz，那對(duì)比曲線時(shí)的數(shù)值便是5.1nV/√Hz （圖2），然后用下列的數(shù)式來(lái)計(jì)算噪聲的根均方值（RMS）：式 1： enrms=“enf”√ln（10/0.1）， 當(dāng)中 enf 是在 1Hz 下的噪聲通過(guò)以上的數(shù)式可得出10.9nV的總根均方值噪聲，如要計(jì)算出峰到峰噪聲，只需將這根均方值乘以6.6，這樣便可得出72.2nV。這個(gè)估算的結(jié)果相當(dāng)不錯(cuò)，它與數(shù)據(jù)表中列出的規(guī)格78nV很接近。

圖 2 LMP7731的輸入電壓噪聲與頻率的關(guān)系頻率、電壓噪聲

假如數(shù)據(jù)表中的電壓噪聲密度圖沒(méi)有表示在1Hz下的噪聲值，那您可以使用下列簡(jiǎn)單的方程式（數(shù)式2）來(lái)推算某頻率下的數(shù)值。

式2：en=enb*√（fce/f）

當(dāng)中enb是寬帶噪聲（通常是在1kHz時(shí)的數(shù)值），而fce 是1/f拐點(diǎn)，至于f是所關(guān)注的頻率，在我們的個(gè)案是1Hz。

舉一個(gè)例子，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LMV851在10kHz下的寬帶噪聲為10nV/√Hz。為了計(jì)算出根均方值噪聲，首先要從圖表決定出1/f拐點(diǎn)（fce）的數(shù)值。使用數(shù)據(jù)表中的電壓噪聲密度圖，這樣便可找到fce大約等于300Hz。之后，使用以上的數(shù)式便可計(jì)算出en=10*√（300/1）=173nV√Hz，而這便是在1Hz下的電壓噪聲，最后將這數(shù)值代入數(shù)式1中并將結(jié)果乘以6.6，便可得出2.4μV的峰到峰噪聲量。

另一個(gè)需要考慮的是電流噪聲。一般來(lái)說(shuō)，假如電源的阻抗不是很大（》100kΩ），您可以不考慮電流噪聲，仍然可獲得一個(gè)很接近的推算結(jié)果，就正如上述的例子一樣?？墒?，假如電源的阻抗很大，那必須使用相同的技巧來(lái)推算電流噪聲，并且將電壓和電流噪聲以根均方值的形式相加。