低壓運算放大器在醫療電子中的應用設計

　　1. 引言

　　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，也可以延緩設備的老化。運算放大器作為集成電路中最基本的單元，其重要性是眾所周知的。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。為了解決這些設計問(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)足這個(gè)市場(chǎng)需求。

　　2. 背景

　　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。不管是手持式除顫儀還是動(dòng)態(tài)血糖監視儀，設計這類(lèi)產(chǎn)品都不是一件容易的事。選擇適當的元件滿(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)際大小等等，都是在產(chǎn)品設計過(guò)程中必須考慮的問(wèn)題。同樣隨著(zhù)國人安防安全意識的提高，煙霧探測設備進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)，對低功耗(電池壽命長(cháng))靈敏度和可靠性高的消防產(chǎn)品設計提出了更高的要求。

　　不論是溫度、脈搏、血糖讀取或其它生物傳感器，實(shí)施適當的信號放大調理鏈路都是最重要的問(wèn)題。在模擬前端電路中，運算放大器是最關(guān)鍵的單元，在這種電路中，一般選擇低噪聲，高精度，低功耗，低偏置電流的運算放大器。信號鏈的第一階一般使用高共模抑制比，低偏置電流(特別對紅外管傳感器)，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。信號鏈下一階是良好的delta-sigma或逐次逼近模數轉換器(ADC)。單周期濾波器設置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/DSP中。

　　煙感結構框圖

　　煙霧傳感器構成的報警器，能及時(shí)報告火警。在煙霧傳感器中，安裝著(zhù)一種對煙霧氣特別敏感的半導體材料，如氧化錫、氧化鋅等，因而亦稱(chēng)它們?yōu)闅饷舨牧?。在有煙霧氣的環(huán)境中，當煙霧氣的濃度達到一定量值時(shí)，氣敏材料內部的電阻值就會(huì )迅速下降。一旦煙霧氣消失，它們的電阻值又會(huì )恢復正常。另外一種煙霧檢測的方法是，利用紅外光線(xiàn)被煙霧遮擋而造成紅外接收測電流變化而報警的原理。光電方式又分前向散射與后向散射探測方式，傳感器安裝在光學(xué)迷宮里，沒(méi)有煙霧時(shí)傳感器接收不到或只接收到很微弱的光信號，經(jīng)過(guò)放大器放大，邏輯判斷電路不做報警處理，有煙霧進(jìn)入迷宮時(shí)，光線(xiàn)照射到煙霧粒子上產(chǎn)生散射，傳感器接收到比較強的光信號，經(jīng)放大后，邏輯報警電路發(fā)出警報信號。在這些應用中，運算放大器是其中的關(guān)鍵器件，要求超低功耗，低偏置電流，低噪聲。　　3. 帝奧微電子DIO2051/2052的應用

　　2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; PADDING-TOP: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px">　　帝奧微電子為了滿(mǎn)足這些市場(chǎng)的需要，特開(kāi)發(fā)了一款DIO2051/2052芯片來(lái)滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。DIO2052/DIO2051 有寬的共模輸入范圍和寬的輸出電壓擺幅，電源工作電壓從2.1V到5.5V，溫度工作范圍從-40℃到125℃。

　　DIO2052/DIO2051的bandwidth是500kHz，每個(gè)通道的靜態(tài)功耗是16uA。采用CMOS的輸入，可以得到非常低的輸入偏置電流(0.5pA)。電源電壓為5V，電阻負載是5K歐姆的條件下，輸出范圍可以達到0.1～4.9V，如表1所示。高的CMRR和PSRR，如表2所示。低的靜態(tài)功耗，如表3所示。同時(shí)，DIO2052/DIO2051具有低的offset(小于1mV)，低的輸入噪聲，在大于>10kHz，20nV/sqrt(Hz)，如表4所示。

　　表 1 在不同的電阻負載條件下，輸入輸出曲線(xiàn)

　　表 2 PSRR和CMRR

　　表 3　靜態(tài)功耗隨電源電壓變化曲線(xiàn)