超小型ADC提升低功耗醫(yī)療應(yīng)用

目前醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展正在徹底變革家庭醫(yī)療保健市場(chǎng)，人們無需離開家門就能診斷出各種健康狀況。技術(shù)的發(fā)展使得便攜式自助護(hù)理保健系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)，這些系統(tǒng)可以幫助人們監(jiān)視諸如血壓、血糖和體溫等重要指標(biāo)。

　　家庭醫(yī)療監(jiān)察和監(jiān)視系統(tǒng)可以幫助人們掌控自己的健康狀況，但是這些醫(yī)療設(shè)備必須快速和高效率，并能在最重要的時(shí)候保證工作。隨著便攜式醫(yī)療傳感器的發(fā)展，更長(zhǎng)電池壽命和更小外形尺寸的需求對(duì)非組織入侵式護(hù)理來說變得愈加關(guān)鍵。

　　醫(yī)療測(cè)量設(shè)備一般需要整合多種信號(hào)調(diào)節(jié)電路，包括放大器、濾波、參考源和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等，才能分辨和識(shí)別傳感器信號(hào)。除了小尺寸外，讀取傳感器輸出的模擬電路要求低功率工作也很重要，這樣才能提供更長(zhǎng)的電池壽命和更多的讀取次數(shù)。隨著更小更快的模擬IC的上市，通過墻上插座供電的小型、低功率醫(yī)療設(shè)備也變得越來越流行。

　　要求小尺寸和低功耗解決方案的醫(yī)療設(shè)備例子包括血液分析系統(tǒng)、脈搏血氧計(jì)、數(shù)字X射線和數(shù)字體溫計(jì)等等。

醫(yī)療測(cè)量使用的模擬電路

　　有些醫(yī)療測(cè)量需要模擬電路連續(xù)運(yùn)行，并且每秒要取得數(shù)千甚至數(shù)百萬個(gè)讀數(shù)。而有的應(yīng)用每天僅需要讀取一次。就這些偶然性測(cè)試而言，模擬電路僅需加一次電進(jìn)行測(cè)量，然后在一天的剩余時(shí)間中一直處于空閑狀態(tài)，此時(shí)可令其進(jìn)入低功率“休眠”模式。

　　模擬IC的選擇取決于傳感器讀數(shù)的頻繁程度。模擬電路的核心是將來自傳感器的模擬讀數(shù)最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字結(jié)果的ADC，數(shù)字結(jié)果可儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中或顯示在屏幕上。就大多數(shù)便攜式醫(yī)療傳感器應(yīng)用而言，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的最佳選擇將是逐次逼近型寄存器(SAR)ADC。

　　選擇這類ADC有很多理由。首先，SAR ADC非常適用于測(cè)量從零赫茲 (穩(wěn)定狀態(tài)) 直到幾兆赫茲的信號(hào)。這些ADC還具有快速響應(yīng)和低延遲性能，是測(cè)量單個(gè)輸入或多個(gè)輸入的理想選擇。另一個(gè)關(guān)鍵因素是功率。與閃存或管線型ADC不同的是，SAR ADC的功耗將隨采樣率的變化而改變。因此，以每秒1萬次采樣(10ksps)運(yùn)行的ADC所需的功耗將低于以100ksps運(yùn)行的功耗，而且功率節(jié)省非常顯著。例如，一個(gè)以每秒幾百萬次采樣(Msps)速度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的SAR ADC可能消耗幾毫安電流，而相同的SAR ADC以1ksps或更低采樣率運(yùn)行時(shí)可能僅消耗幾十微安電流。

脈搏血氧計(jì)

　　脈搏血氧計(jì)就是受益于SAR ADC為核心的一個(gè)醫(yī)療應(yīng)用例子。這種設(shè)備用于測(cè)量與病人血液中的血紅蛋白相當(dāng)?shù)难鹾?。脈搏血氧計(jì)檢測(cè)動(dòng)脈中的血液脈動(dòng)，因此還能計(jì)算病人的心律。一對(duì)發(fā)光二極管(LED)通過病人身體的半透明部分(通常是指尖)對(duì)著一個(gè)光電二極管。一個(gè)光發(fā)射器用660nm的波長(zhǎng)觸發(fā)一個(gè)紅色LED，同時(shí)用940nm的波長(zhǎng)觸發(fā)一個(gè)紅外線LED。光電二極管接收這兩個(gè)信號(hào)，并將光致電流轉(zhuǎn)換成電壓。然后由ADC測(cè)量這個(gè)電壓，從而在光通過病人身體后基于每種波長(zhǎng)光的吸收率讀出血氧百分?jǐn)?shù)(參見圖1)。接下來通常是跨過一個(gè)隔離裝置將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)存或在監(jiān)視器上顯示。

　　圖1所示的凌力爾特公司LT6202放大器提供了增益帶寬(100MHz)和低壓噪聲(1.9nV/Hz)的良好組合，同時(shí)僅消耗2.5mA電流。它還具有0.75pA/Hz的低電流噪聲，在小信號(hào)應(yīng)用中具有超低的總體噪聲和失真功率。這個(gè)放大器規(guī)定用3V、5V和±5V電源工作。

圖1：超小型ADC在脈搏血氧計(jì)中的應(yīng)用。