利用超小型ADC設計低功耗醫療設備方案
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家庭醫療監察和監視系統可以幫助人們掌控自己的健康狀況，但是這些醫療設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(zhù)便攜式醫療傳感器的發(fā)展，更長(cháng)電池壽命和更小外形尺寸的需求對非組織入侵式護理來(lái)說(shuō)變得愈加關(guān)鍵。
醫療測量設備一般需要整合多種信號調節電路，包括放大器、濾波、參考源和模數轉換器(ADC)等，才能分辨和識別傳感器信號。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(cháng)的電池壽命和更多的讀取次數。隨著(zhù)更小更快的模擬IC的上市，通過(guò)墻上插座供電的小型、低功率醫療設備也變得越來(lái)越流行。
要求小尺寸和低功耗解決方案的醫療設備例子包括血液分析系統、脈搏血氧計、數字X射線(xiàn)和數字體溫計等等。
醫療測量使用的模擬電路
有些醫療測量需要模擬電路連續運行，并且每秒要取得數千甚至數百萬(wàn)個(gè)讀數。而有的應用每天僅需要讀取一次。就這些偶然性測試而言，模擬電路僅需加一次電進(jìn)行測量，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的頻繁程度。模擬電路的核心是將來(lái)自傳感器的模擬讀數最終轉換成數字結果的ADC，數字結果可儲存在存儲器中或顯示在屏幕上。就大多數便攜式醫療傳感器應用而言，數據轉換器的最佳選擇將是逐次逼近型寄存器(SAR)ADC。
選擇這類(lèi)ADC有很多理由。首先，SAR ADC非常適用于測量從零赫茲 (穩定狀態(tài)) 直到幾兆赫茲的信號。這些ADC還具有快速響應和低延遲性能，是測量單個(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(xiàn)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(wàn)次采樣(10ksps)運行的ADC所需的功耗將低于以100ksps運行的功耗，而且功率節省非常顯著(zhù)。例如，一個(gè)以每秒幾百萬(wàn)次采樣(Msps)速度轉換數據的SAR ADC可能消耗幾毫安電流，而相同的SAR ADC以1ksps或更低采樣率運行時(shí)可能僅消耗幾十微安電流。
脈搏血氧計
脈搏血氧計就是受益于SAR ADC為核心的一個(gè)醫療應用例子。這種設備用于測量與病人血液中的血紅蛋白相當的血氧含量。脈搏血氧計檢測動(dòng)脈中的血液脈動(dòng)，因此還能計算病人的心律。一對發(fā)光二極管(LED)通過(guò)病人身體的半透明部分(通常是指尖)對著(zhù)一個(gè)光電二極管。一個(gè)光發(fā)射器用660nm的波長(cháng)觸發(fā)一個(gè)紅色LED，同時(shí)用940nm的波長(cháng)觸發(fā)一個(gè)紅外線(xiàn)LED。光電二極管接收這兩個(gè)信號，并將光致電流轉換成電壓。然后由ADC測量這個(gè)電壓，從而在光通過(guò)病人身體后基于每種波長(cháng)光的吸收率讀出血氧百分數(參見(jiàn)圖 1)。接下來(lái)通常是跨過(guò)一個(gè)隔離裝置將數字數據發(fā)送到數據采集系統進(jìn)行儲存或在監視器上顯示。
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，在小信號應用中具有超低的總體噪聲和失真功率。這個(gè)放大器規定用3V、5V和±5V電源工作。
采樣LT6202輸出的是一個(gè)12位3Msps SAR ADC。LTC2366是采樣率從100ksps到3Msps、引腳和軟件完全兼容的微型ADC系列成員。這個(gè)系列的ADC在3Msps時(shí)僅消耗7.8mW功率，在100ksps時(shí)為1.5mW，在休眠模式時(shí)僅為0.3μW。LTC2366的特點(diǎn)是沒(méi)有數據通過(guò)延遲，因此在同一時(shí)鐘周期內即可獲得采樣數據。該器件通過(guò)一個(gè)3線(xiàn) SPI/Microwire 兼容接口提供采樣結果。
LTC2366采用ThinSOT 6引腳或8引腳封裝(8.1mm2)，有助于脈搏血氧計的總體解決方案尺寸保持最小。在3Msps時(shí)，它具有足夠富裕的采樣帶寬，能夠通過(guò)放大器和光電二極管電流正確地采樣電壓。LTC2366在單3V 電源下工作，可由單節鋰離子電池、多節AA電池或者希望以低功率運行的墻上供電系統供電。
LTC236x系列共有5 種ADC，包括3Msps的LTC2366、1Msps的LTC2365、500ksps的LTC2362、250ksps的LTC2361和100ksps的LTC2360。上述采樣率都是每個(gè)ADC的最高采樣率。對于不需要以3Msps運行的應用而言，每個(gè)LTC236x ADC 可在更低的采樣率下進(jìn)一步節省功率。圖2詳細描述了3個(gè)較低速版本ADC的電源電流與采樣率的關(guān)系?；赟AR ADC本身內核設計的原因，隨著(zhù)采樣率的減小，功耗將迅速下降。
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