低功耗運(yùn)放在便攜式醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用

作者：時(shí)間：2011-12-21 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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近年來(lái)，以電池作為電源的電子產(chǎn)品得到廣泛使用，設(shè)計(jì)工程師迫切要求采用低電壓的模擬電路來(lái)降低功耗。低電壓、低功耗、低噪聲的模擬電路設(shè)計(jì)技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)。從節(jié)約能源角度考慮，低的功率消耗不僅是電池驅(qū)動(dòng)的便攜設(shè)備的需求，即便對(duì)使用市電的大型系統(tǒng)也是迫切需要，它不但可以延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間，而且還可以延緩設(shè)備的老化。作為集成電路中最基本的單元，運(yùn)算放大器的重要性眾所周知。在低壓運(yùn)算放大器中，由于電源電壓的降低，信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍減小，同時(shí)噪聲信號(hào)幅度相對(duì)增大，放大器的信噪比降低。在越來(lái)越復(fù)雜的設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，客戶迫切需要完美的模擬設(shè)計(jì)方案。為解決這些設(shè)計(jì)問(wèn)題，帝奧微電子公司專門開(kāi)發(fā)了幾款低功耗低噪聲運(yùn)放來(lái)滿足市場(chǎng)需求。

開(kāi)發(fā)背景

隨著醫(yī)療電子設(shè)備產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，用于個(gè)人保健的移動(dòng)手持式醫(yī)療電子設(shè)備也同樣在快速發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)于手持式除顫儀、動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)視儀、家庭用監(jiān)護(hù)儀的需求越來(lái)越強(qiáng)勁。另一種典型的手持式醫(yī)療產(chǎn)品就是非接觸式紅外測(cè)溫儀，從2003年的非典到近年來(lái)的甲流，非接觸式紅外測(cè)溫儀不需要接觸物體即可測(cè)得物體的溫度，這個(gè)特點(diǎn)使其在一些容易傳染的疾病或者比較危險(xiǎn)的行業(yè)進(jìn)行測(cè)溫成為最好的選擇。設(shè)計(jì)這類產(chǎn)品不是一件容易的事，選擇適當(dāng)?shù)脑詽M足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，盡可能降低成本，確保設(shè)計(jì)方案的功率，特別關(guān)注產(chǎn)品的實(shí)際大小等都是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮的問(wèn)題。

不論是溫度、脈搏、血糖讀取或是其它生物傳感器，實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)男盘?hào)放大調(diào)理鏈路都是十分重要的問(wèn)題。在模擬前端電路中，運(yùn)算放大器是最關(guān)鍵的單元，這種電路中通常選擇低噪聲、高精度、低功耗、低偏置電流的運(yùn)算放大器。信號(hào)鏈的第一級(jí)一般使用高共模抑制比、低偏置電流(特別是對(duì)紅外傳感器)、低噪聲的運(yùn)放；第二級(jí)會(huì)選用低功耗、高精度、低噪聲的運(yùn)算放大器。信號(hào)鏈的下一階是性能良好的 delta-sigma或逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。單周期濾波器設(shè)置以及隨需轉(zhuǎn)換等特性簡(jiǎn)化了ADC的設(shè)計(jì)要求，也提高了轉(zhuǎn)換速度，并提供了較大的源阻抗。利用適當(dāng)?shù)牟季旨霸x擇，可將一個(gè)干凈、精確而有意義的信號(hào)輸入到系統(tǒng)微處理器或DSP中。(圖1)

紅外測(cè)溫系統(tǒng)是利用物體的輻射能量與溫度有關(guān)的原理而組成測(cè)溫的系統(tǒng)。將普朗克公式在探測(cè)器工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)積分可以得出目標(biāo)輻射率的大小與目標(biāo)溫度間存在著固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用紅外探測(cè)器測(cè)出目標(biāo)的熱輻射功率，就能計(jì)算出目標(biāo)的表面溫度，這是紅外測(cè)溫的理論基礎(chǔ)。如圖2所示，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)放大、濾波，與溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)進(jìn)行修正和補(bǔ)償，最后得到與被測(cè)物體溫度成正比的電壓。

在這些應(yīng)用中，運(yùn)算放大器是非常關(guān)鍵的器件，因?yàn)槟壳笆殖质綔囟扔?jì)使用電池供電，要求極低的功耗。此外，在紅外應(yīng)用中，低偏置電流也是一個(gè)重要因素，因?yàn)闇囟扔?jì)是一個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)，而且是一個(gè)頻率比較低的系統(tǒng)，需要低的失調(diào)電壓和低的噪聲。

用DIO2051/2052實(shí)現(xiàn)血氧儀和紅外測(cè)溫儀

為滿足這些市場(chǎng)的需求，帝奧微電子專門開(kāi)發(fā)了DIO2051/2052芯片。DIO2052/DIO2051具有寬的共模輸入范圍和寬輸出電壓擺幅，電源工作電壓范圍從2.1V到5.5V，溫度工作范圍從-40℃到125℃。DIO2052/DIO2051的帶寬是500kHz，每個(gè)通道的靜態(tài)功耗為 16uA。采用CMOS輸入可以得到非常低的輸入偏置電流(0.5pA)。電源電壓為5V，電阻負(fù)載是5K歐姆的條件下，輸出范圍可以達(dá)到 0.1～4.9V(如表1所示)，并可實(shí)現(xiàn)高的CMRR和PSRR(如表2所示)以及低靜態(tài)功耗(如表3所示)。同時(shí)，DIO2052/DIO2051具有極低的offset(小于1mV)和低輸入噪聲(＞10kHz，20Nv/sqrt(Hz))(如表4所示)。

帝奧微電子的DIO2052在血氧儀應(yīng)用(圖3)中，扮演了非常關(guān)鍵的角色。第一級(jí)用3個(gè)運(yùn)放搭建成全差分模式作為信號(hào)的輸入級(jí)，提供了很高的共模抑制比，較寬的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，最重要的是省掉了昂貴的儀表運(yùn)放。第二級(jí)用兩個(gè)運(yùn)放作為信號(hào)放大和有源濾波器設(shè)計(jì)，具有良好的信噪比和低失調(diào)。在血氧儀應(yīng)用中，可使客戶實(shí)現(xiàn)很高的性價(jià)比，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力并加快上市時(shí)間。

在光電式溫度計(jì)的設(shè)計(jì)中，采用DIO2052非常符合設(shè)計(jì)的要求(圖4)。DIO2052具有極低的偏置電流(1pA)，這樣可以保證遠(yuǎn)小于紅外管的暗電流，提高了感應(yīng)器的可靠性；極低的功耗(16uA)使得電池供電的溫度計(jì)可以長(zhǎng)時(shí)間工作，降低了使用成本；DIO2052低于1mV的VOS，提高了溫度計(jì)的測(cè)量精度；良好的共模抑制比、低噪聲等特點(diǎn)保證了電路良好的性能和產(chǎn)品的可靠性，可以在一些危險(xiǎn)惡劣的環(huán)境下使用。