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技術(shù)文章
模擬信號路徑運(yùn)用于便攜醫(yī)療設(shè)備
點(diǎn)擊次數(shù)：1515 發(fā)布時(shí)間：2013-4-10
致力于開發(fā)醫(yī)療診斷設(shè)備的公司面臨的挑戰(zhàn)就是要為消費(fèi)者提供物美價(jià)廉的
產(chǎn)品。在降低醫(yī)護(hù)成本和改善病人護(hù)理服務(wù)方面，zui重要的是能縮小這些醫(yī)
療設(shè)備的體積并提高其度。在人口老化問題日趨嚴(yán)重的今天，上述需求
顯得更為迫切。根據(jù)IMS調(diào)查公司的InMedica報(bào)告，消費(fèi)類醫(yī)療設(shè)備的銷售
總額到2011年時(shí)預(yù)計(jì)可超過50億美元。
醫(yī)療設(shè)備監(jiān)護(hù)功能的開發(fā)與不斷完善，遠(yuǎn)程護(hù)理供應(yīng)商能夠在人類健康
的幾個(gè)重要領(lǐng)域?yàn)榫蛹一颊摺⒓卑Y室救護(hù)員以至醫(yī)院提供更佳的診斷工具。
血壓計(jì)血糖儀、除顫器等監(jiān)護(hù)類儀器均需要清晰的模擬信號來進(jìn)行準(zhǔn)確的測
量，否則便可能危及生命。設(shè)計(jì)的模擬信號路徑可幫助設(shè)計(jì)人員降低外
來噪聲的干擾、擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍和加強(qiáng)度。此外，在組件選擇方面，設(shè)計(jì)
人員也必須謹(jǐn)慎選擇以滿足zui終產(chǎn)品的性能需求。
小封裝中的高性能需求
此前，人們通常認(rèn)為醫(yī)院和診所的醫(yī)療設(shè)備比家居使用的便攜儀器更為
?？墒?，新的技術(shù)趨勢正迅速扭轉(zhuǎn)著上述的觀點(diǎn)。新的便攜式醫(yī)療設(shè)備
面的使用者不僅僅有普通消費(fèi)者，還有深具科技領(lǐng)悟力的病人，因此客戶的
需要不再局限于量體溫、做心電圖和測血壓?？蛻粜枰氖堑淖o(hù)理及
測量功能。
為了滿足人們對家居醫(yī)療診斷儀器的迫切需求，設(shè)備供應(yīng)商正憑借*
的貨存管理和創(chuàng)新設(shè)計(jì)來增強(qiáng)市場競爭力，并為產(chǎn)品配備更多的功能來爭取
更多的用戶。在開發(fā)家居醫(yī)療儀器的領(lǐng)域，有一個(gè)因素是非常重要的，這就
是產(chǎn)品從zui初設(shè)計(jì)到真正投放市場期間所需的開發(fā)時(shí)間?？s短上市時(shí)間，可
以讓廠商的產(chǎn)品搶占市場。而能否將開發(fā)周期縮短取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的設(shè)
計(jì)是否足夠靈活并具成本效益。
工藝技術(shù)影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)
雖然電氣規(guī)格是設(shè)計(jì)人員選擇組件的主要因素，但用來制造集成電路的
工藝也同樣重要。例如，典型的血糖計(jì)通常需配合一個(gè)帶有極低輸入偏置電
流的運(yùn)算放大器，大多數(shù)的設(shè)計(jì)人員都會(huì)選用JFET放大器。不過，他們在作
出決定前應(yīng)先考慮一下溫度的問題。
由于JFET擁有一個(gè)很低的初始輸入偏置，因此它很易受到溫度變化的影
響，每上升10°C ，輸入偏置便會(huì)大約增加一倍。要計(jì)算出輸入偏置的漂移
，可使用下列的數(shù)式（參考1）。
例如，一個(gè)JFET輸入運(yùn)算放大器（例如美國國家半導(dǎo)體的LF411）在25 °
C下的輸入偏置電流為50pA，而一個(gè)更佳的選擇是美國國家半導(dǎo)體的LMP7731
，它是一款雙極輸入運(yùn)算放大器，其輸入偏置電流為1.5nA。通過上述數(shù)式
，我們可以很快地計(jì)算出在85°C下，LF411的輸入偏置電流變成3.2nA，超
出LMP7731的兩倍。
評估系統(tǒng)的取舍
速度、噪聲和功耗對于某些設(shè)計(jì)來說可能同樣重要，一個(gè)低噪聲器件會(huì)
消耗比較多的電流，而一個(gè)低功耗的器件則只可提供有限的帶寬。一個(gè)克服
這些問題的方法是在適當(dāng)?shù)膽?yīng)用中使用反補(bǔ)償放大器。與單位增益穩(wěn)定和速
度較高這兩點(diǎn)相比，反補(bǔ)償放大器的優(yōu)點(diǎn)除了成本比較低之外，是其可在不
影響功耗的情況下提供較大的帶寬。
反補(bǔ)償運(yùn)算放大器使用在電流-電壓轉(zhuǎn)換（跨阻）電路。在醫(yī)療儀
器中，其中一個(gè)zui普遍的應(yīng)用是測量血細(xì)胞中的含氧量，稱為SPO2或飽和或
外圍氧氣。
利用捷徑縮短設(shè)計(jì)時(shí)間
醫(yī)療儀器的zui重要參數(shù)是噪聲，它可以導(dǎo)致電路本身和附近的設(shè)備產(chǎn)生
嚴(yán)重的干擾。計(jì)算噪聲是一項(xiàng)比較沉悶的工作，尤其當(dāng)您想計(jì)算出從電源、
放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以至外部組件，信號路徑對信噪比的整體影響。
一般來說，醫(yī)療儀器電路都傾向采用較低的頻率來工作，因此這些系統(tǒng)
的設(shè)計(jì)人員通常會(huì)比較關(guān)心處于0.1到10Hz頻帶以內(nèi)的噪聲，也稱為峰到峰
噪聲。但不幸地是，有些數(shù)據(jù)表并沒有提供時(shí)域噪聲（峰到峰）的數(shù)值，而只
會(huì)提供電壓或電流噪聲密度的典型圖表。除了等待電路的供應(yīng)商提供測量數(shù)
據(jù)外，有一個(gè)快速的方法可幫助推算出峰到峰的噪聲量。
假設(shè)您打算利用美國國家半導(dǎo)體的LMP7731來推算峰到峰（0.1到10Hz）電
壓的噪聲量，首先，在頻帶內(nèi)的頻率范圍中選擇出一個(gè)點(diǎn)，例如是1Hz
，那對比曲線時(shí)的數(shù)值便是5.1nV/√Hz （圖2），然后用下列的數(shù)式來計(jì)算噪
聲的根均方值（RMS）：式 1： enrms=“enf”√ln（10/0.1）， 當(dāng)中 enf 是
在 1Hz 下的噪聲通過以上的數(shù)式可得出10.9nV的總根均方值噪聲，如要計(jì)
算出峰到峰噪聲，只需將這根均方值乘以6.6，這樣便可得出72.2nV。這個(gè)
估算的結(jié)果相當(dāng)不錯(cuò)，它與數(shù)據(jù)表中列出的規(guī)格78nV很接近。
假如數(shù)據(jù)表中的電壓噪聲密度圖沒有表示在1Hz下的噪聲值，那您可以
使用下列簡單的方程式（數(shù)式2）來推算某頻率下的數(shù)值。
式2：en=enb*√（fce/f）
當(dāng)中enb是寬帶噪聲（通常是在1kHz時(shí)的數(shù)值），而fce 是1/f拐點(diǎn)，至于
f是所關(guān)注的頻率，在我們的個(gè)案是1Hz。
舉一個(gè)例子，美國國家半導(dǎo)體的LMV851在10kHz下的寬帶噪聲為10nV/√
Hz。為了計(jì)算出根均方值噪聲，首先要從圖表決定出1/f拐點(diǎn)（fce）的數(shù)值。
使用數(shù)據(jù)表中的電壓噪聲密度圖，這樣便可找到fce大約等于300Hz。之后，
使用以上的數(shù)式便可計(jì)算出en=10*√（300/1）=173nV√Hz，而這便是在1Hz下
的電壓噪聲，zui后將這數(shù)值代入數(shù)式1中并將結(jié)果乘以6.6，便可得出2.4μV
的峰到峰噪聲量。
另一個(gè)需要考慮的是電流噪聲。一般來說，假如電源的阻抗不是很大（
》100kΩ），您可以不考慮電流噪聲，仍然可獲得一個(gè)很接近的推算結(jié)果，
就正如上述的例子一樣?？墒?，假如電源的阻抗很大，那必須使用相同的技
巧來推算電流噪聲，并且將電壓和電流噪聲以根均方值的形式相加。
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