順應便攜式醫療保健應用的需求

兩種趨勢影響著(zhù)醫療和工業(yè)設備設計人員：一是便攜性，二是此類(lèi)設備越來(lái)越多地用于消費和實(shí)驗室應用。血糖監控儀、多參數血液分析儀、脈搏血氧儀、PH計和環(huán)境監控儀就是其中的例子，這些設備一度僅存在于實(shí)驗室，但現在也用于便攜式應用。

便攜式設備必須小巧輕便，功耗低，而且性能不打折扣。同時(shí)，便攜式設備對價(jià)格非常敏感。近年來(lái)，設備制造商開(kāi)始使用成品器件代替ASIC，以便降低設計成本，縮短新型號的上市時(shí)間。此外，隨著(zhù)精度和平臺靈活性不斷提高，要開(kāi)發(fā)一款全能型單芯片解決方案非常困難。許多小公司一般也無(wú)力承受ASIC的高昂成本。

在醫療和工業(yè)系統中，測量路徑首先從傳感器開(kāi)始，其輸出在提供給ADC之前，可能先要經(jīng)過(guò)放大、濾波和電平轉換。諸如此類(lèi)的信號調理電路中所用的運算放大器能夠從多方面優(yōu)化混合信號設計（如血糖監控儀和脈搏血氧儀）的性能。

在便攜式應用中，待測量的信號與共模信號相比可能非常小，因而對運算放大器的技術(shù)要求比以往更高。例如，脈搏血氧儀測量光通過(guò)手指吸收，但大部分光被病人的組織所吸收，只有一小部分光被流經(jīng)手指的新鮮血液所吸收，目標信號通常僅為總信號的0.1%到2%。醫療儀器面臨的另一項挑戰是電噪聲。許多醫療設備，諸如無(wú)線(xiàn)傳呼器、泵、電機等，都會(huì )向病人周?chē)膮^域中發(fā)射大量RF噪聲。而且，大多數醫療設備都使用很長(cháng)的引線(xiàn)，它們會(huì )像天線(xiàn)一樣拾取這些干擾信號，使問(wèn)題進(jìn)一步復雜化。此外還要求設備與病人之間必須進(jìn)行電流隔離。

放大器技術(shù)的進(jìn)步

自從40多年前首款運算放大器問(wèn)世以來(lái)，IC制造和電路設計取得了巨大的進(jìn)步，始終緊跟終端市場(chǎng)的發(fā)展趨勢。模擬設計人員的終極目標是推出一款真正理想的放大器，具有無(wú)限大開(kāi)環(huán)增益、無(wú)限輸入阻抗、零偏置電流、零失調電壓，并且無(wú)噪聲。模擬工程師在這些前沿技術(shù)領(lǐng)域已獲得了長(cháng)足的進(jìn)步，但市場(chǎng)和客戶(hù)期望的不斷變化導致新挑戰層出不窮。如今，系統設計人員希望擁有的是零功耗、零封裝尺寸和零成本的精密運算放大器。為此，運算放大器制造商推出了齊全的產(chǎn)品組合，以更高的標準滿(mǎn)足這些要求。如今的運算放大器帶寬更寬、噪聲更低、工作電壓更低、功耗更低、尺寸更小、成本更低。此外，這些器件還能提供更豐富的特性和功能；隨著(zhù)信噪比要求的提高，以及越來(lái)越多的家用電器和工業(yè)設備涉及實(shí)際信號處理，這種趨勢仍將延續下去。

IC制造商綜合運用新的工藝、設計技術(shù)、封裝選項和制造能力，生產(chǎn)出更好的器件，成為當今諸多高難度應用的理想之選。鑒于不同的應用要求不同的規格特性組合，廠(chǎng)商不斷推出更廣泛的放大器產(chǎn)品以滿(mǎn)足此類(lèi)需求。舉例而言，有的放大器可能最適合測量溫度，但它們并不是光電二極管檢測和放大應用的最佳選擇。

業(yè)界在工藝技術(shù)的各個(gè)方面都取得了顯著(zhù)的進(jìn)步。CMOS技術(shù)原本主要針對數字電路和微處理器而開(kāi)發(fā)，現已經(jīng)過(guò)優(yōu)化，同樣適用于模擬產(chǎn)品，使得放大器設計人員能夠降低功耗和成本，并克服其內在的高電壓噪聲，從而開(kāi)發(fā)出以前只有利用雙極性技術(shù)才能實(shí)現的超高性能放大器。采用CMOS技術(shù)，設計人員能夠將低噪聲特性與超低偏置電流特性相結合，制造出更好的器件。工業(yè)CMOS (iCMOS®)等新型專(zhuān)有制造工藝為實(shí)現最低噪聲的CMOS放大器(2.7nV/√Hz @ 10kHz)和超低電源電流放大器（每個(gè)放大器1μA）提供了有力支持。CMOS技術(shù)的另一項益處是能夠提供高輸入阻抗，這一特性對許多醫療應用至關(guān)重要。新型工業(yè)雙極性工藝，如iPolar™溝渠隔離技術(shù)等，通過(guò)運用先進(jìn)的處理技術(shù)和JFETS等元件，大幅縮小了芯片尺寸；業(yè)界標準放大器OP07的縮小幅度達到60%之多，因而得以采用最小的封裝（見(jiàn)圖1）。這些工藝技術(shù)領(lǐng)域的最新成果使得放大器設計人員能夠在其最新產(chǎn)品中集成一些重要特性，如過(guò)壓保護(OVP)、EMI濾波器和高ESD額定值等。這些特性對于以用戶(hù)安全和儀器可靠性為重的醫療應用極具價(jià)值。舉例而言，雙通道36V低功耗運算放大器ADA4091-2具有軌到軌輸入/輸出，并且能在±5V電源軌上下25V的范圍內提供過(guò)壓保護。在JFET放大器領(lǐng)域，低成本ADA4000-1在5引腳TSOT封裝中集成了高輸入阻抗、低輸入偏置電流、寬帶寬、快速壓擺率和快速建立時(shí)間等特性。


圖1 新型iPolar工藝使芯片尺寸大為縮小