便攜式醫(yī)療設(shè)備中的信號調(diào)整

　　現(xiàn)今的醫(yī)療便攜設(shè)備方便病人自行診療、自由走動，甚至可在外出時使用設(shè)備。便攜式電子醫(yī)療設(shè)備要實(shí)現(xiàn)"方便攜帶"的特色功能，就必須具備微型化和低功耗的特性。

　　此外，這些設(shè)備還要有極高的精度以確保病人的安全。醫(yī)療設(shè)備采用多種不同的傳感器來監(jiān)視病人的健康狀況，然后傳感器將生理信號轉(zhuǎn)換成電子信號供電子設(shè)備分析使用。由于醫(yī)療設(shè)備中傳輸?shù)男盘柖急容^微弱，而且還會受到諸多噪聲源的干擾，因此信號路徑設(shè)計(jì)對便攜式醫(yī)療設(shè)備就顯得格外重要了。本文將針對心電圖機(jī)和血糖測量儀這兩種設(shè)備應(yīng)用，討論如何將傳感器與匹配的PowerWise放大器相連接，以便延長電池壽命和提高診療安全性。

　　心電圖機(jī)的操作原理

　　心電圖機(jī)(ECG)可實(shí)時記錄病人的心跳活動。心跳信號是通過三個連接到病人身體的電極測量出來。圖1所示為其中一個電極輸出的ECG信號，圖中包含有五個測量點(diǎn)，分別是Q、P、R、S、和T，這些測量點(diǎn)可用來診斷病人患上心臟病的可能性。

　　從電極收集回來的信號處于 在400μV到最高5mV的范圍內(nèi)，并在0.05Hz 和100Hz 下帶有3dB轉(zhuǎn)角頻率。這類信號一般都會受到不少的干擾，例如電極的接觸噪聲、電源線路噪聲(50MHz)、呼吸、肌肉活動、以及來自其他電子器件的干擾。

　　ECG的信號調(diào)整

　　正如上述所說，ECG的信號路徑必須能調(diào)理不同來源的噪聲。對抗直流電噪聲，可以使用高通濾波器。然而，最令人頭痛的是50Hz的噪聲，因?yàn)樗鼊偤门c我們收集的信號頻率處于相同范圍。要消除這個共模噪聲，需要建立一個測量儀表放大器。這個配置之所以很理想是因?yàn)樗稍谝种乒材ｋ妷旱耐瑫r放大有用的差分信號，這利于把微弱的有效信號從背景噪聲中分隔出來。正如圖2所示，這個儀表放大器是用LMP2234(四通道、微功率、高精度的RRO運(yùn)算放大器)和高精度的電阻器(0.1%)實(shí)現(xiàn)出來。

　　A1, A2, A3, A4: LMP2234
　　R1, R2: 2 MΩ
　　R3, R5: 40 kΩ
　　R4: 20 kΩ
　　R6, R7: 10 kΩ
　　R8, R9: 10 kΩ
　　R10, R11: 20 Kω
　　LMP2234是用VIP50工藝技術(shù)制成，即絕緣硅BiCMOS工藝。用這種工藝制作出來的超低功耗放大器非常適合電池供電的低功耗應(yīng)用。該工藝具有1.8到5.5V的操作電壓范圍和36μA的靜態(tài)電流，利于延長便攜系統(tǒng)中電池的壽命。LMP2234是LMP高精度放大器家族的成員，其高阻抗CMOS輸入使它成為測量儀表和其他傳感器接口應(yīng)用的理想選擇。

　　由于來自電極的信號幅度極低，放大器的直流參數(shù)便顯得很重要。LMP2234的最高偏移電壓為150V(典型值為10 V)，而偏移電壓漂移溫度系數(shù)和偏置電流分別僅為0.3 μV/℃和±20 fA。這些高精度的嚴(yán)格規(guī)格使LMP2334在維持系統(tǒng)常精度和長期穩(wěn)定性方面有相當(dāng)出色的表現(xiàn)。

　　這個測量儀表放大器包含有兩個級。最后一個級(亦即輸出級)是一個差分放大器，它能夠拒絕直流電平以及同時影響兩個輸入的干擾和噪聲電壓源。由兩個放大器組成的第一級(亦即是輸入級)則被配置成一個可將輸入隔離的緩沖器?？墒?，基于放大器間的失配使它們彼此不能相互連接，所以要在兩個放大器之間加裝平衡電阻。將兩個級的增益相乘便可得出測量儀表放大器的增益。理論上，共模抑制比(CMPR)應(yīng)該是無限大，但由于出現(xiàn)電阻失配，導(dǎo)致輸出級的非零共模增益非常小。在電路的輸入級中，流經(jīng)所有電阻的電流是一樣的。這都有賴于LMP2234具有高輸入阻抗和低輸入偏置電流的特點(diǎn)。

　　輸出電壓被定義成：

　　輸入信號的最大幅度僅為5mV，但為了建立增益，我們必須考慮到電極的直流偏移電壓，它有時甚至可高至±300mV。LMP2234的軌到軌輸出可從電源電壓軌搖擺至15mV，從而增加了系統(tǒng)的動態(tài)范圍。此外，由R10和R11組成的偏置分壓器可提供一個電壓，該電壓恰好等于正確診段病人體征所需電源電壓的一半。