低功耗運放在便攜式醫療設備中的應用

近年來(lái)，以電池作為電源的電子產(chǎn)品得到廣泛使用，設計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計技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)。從節約能源角度考慮，低的功率消耗不僅是電池驅動(dòng)的便攜設備的需求，即便對使用市電的大型系統也是迫切需要，它不但可以延長(cháng)設備的使用時(shí)間，而且還可以延緩設備的老化。作為集成電路中最基本的單元，運算放大器的重要性眾所周知。在低壓運算放大器中，由于電源電壓的降低，信號的動(dòng)態(tài)范圍減小，同時(shí)噪聲信號幅度相對增大，放大器的信噪比降低。在越來(lái)越復雜的設計系統中，客戶(hù)迫切需要完美的模擬設計方案。為解決這些設計問(wèn)題，帝奧微電子公司專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了幾款低功耗低噪聲運放來(lái)滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。

隨著(zhù)醫療電子設備產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，用于個(gè)人保健的移動(dòng)手持式醫療電子設備也同樣在快速發(fā)展，消費者對于手持式除顫儀、動(dòng)態(tài)血糖監視儀、家庭用監護儀的需求越來(lái)越強勁。另一種典型的手持式醫療產(chǎn)品就是非接觸式紅外測溫儀，從2003年的非典到近年來(lái)的甲流，非接觸式紅外測溫儀不需要接觸物體即可測得物體的溫度，這個(gè)特點(diǎn)使其在一些容易傳染的疾病或者比較危險的行業(yè)進(jìn)行測溫成為最好的選擇。設計這類(lèi)產(chǎn)品不是一件容易的事，選擇適當的元件以滿(mǎn)足設計規范要求，盡可能降低成本，確保設計方案的功率，特別關(guān)注產(chǎn)品的實(shí)際大小等都是在產(chǎn)品設計過(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)現適當的信號放大調理鏈路都是十分重要的問(wèn)題。在模擬前端電路中，運算放大器是最關(guān)鍵的單元，這種電路中通常選擇低噪聲、高精度、低功耗、低偏置電流的運算放大器。信號鏈的第一級一般使用高共模抑制比、低偏置電流(特別是對紅外傳感器)、低噪聲的運放；第二級會(huì )選用低功耗、高精度、低噪聲的運算放大器。信號鏈的下一階是性能良好的 delta-sigma或逐次逼近模數轉換器(ADC)。單周期濾波器設置以及隨需轉換等特性簡(jiǎn)化了ADC的設計要求，也提高了轉換速度，并提供了較大的源阻抗。利用適當的布局及元件選擇，可將一個(gè)干凈、精確而有意義的信號輸入到系統微處理器或DSP中。(圖1)

紅外測溫系統是利用物體的輻射能量與溫度有關(guān)的原理而組成測溫的系統。將普朗克公式在探測器工作波長(cháng)范圍內積分可以得出目標輻射率的大小與目標溫度間存在著(zhù)固定的對應關(guān)系，用紅外探測器測出目標的熱輻射功率，就能計算出目標的表面溫度，這是紅外測溫的理論基礎。如圖2所示，傳感器輸出信號經(jīng)放大、濾波，與溫度補償環(huán)節進(jìn)行修正和補償，最后得到與被測物體溫度成正比的電壓。

帝奧微電子的DIO2052在血氧儀應用(圖3)中，扮演了非常關(guān)鍵的角色。第一級用3個(gè)運放搭建成全差分模式作為信號的輸入級，提供了很高的共模抑制比，較寬的信號動(dòng)態(tài)范圍，最重要的是省掉了昂貴的儀表運放。第二級用兩個(gè)運放作為信號放大和有源濾波器設計，具有良好的信噪比和低失調。在血氧儀應用中，可使客戶(hù)實(shí)現很高的性?xún)r(jià)比，提高產(chǎn)品的競爭力并加快上市時(shí)間。

在光電式溫度計的設計中，采用DIO2052非常符合設計的要求(圖4)。DIO2052具有極低的偏置電流(1pA)，這樣可以保證遠小于紅外管的暗電流，提高了感應器的可靠性；極低的功耗(16uA)使得電池供電的溫度計可以長(cháng)時(shí)間工作，降低了使用成本；DIO2052低于1mV的VOS，提高了溫度計的測量精度；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，可以在一些危險惡劣的環(huán)境下使用。