顺应便携式医疗保健应用的需求

两种趋势影响着医疗和工业设备设计人员：一是便携性，二是此类设备越来越多地用于消费和实验室应用。血糖监控仪、多参数血液分析仪、脉搏血氧仪、PH计和环境监控仪就是其中的例子，这些设备一度仅存在于实验室，但现在也用于便携式应用。

便携式设备必须小巧轻便，功耗低，而且性能不打折扣。同时，便携式设备对价格非常敏感。近年来，设备制造商开始使用成品器件代替ASIC，以便降低设计成本，缩短新型号的上市时间。此外，随着精度和平台灵活性不断提高，要开发一款全能型单芯片解决方案非常困难。许多小公司一般也无力承受ASIC的高昂成本。

在医疗和工业系统中，测量路径首先从传感器开始，其输出在提供给ADC之前，可能先要经过放大、滤波和电平转换。诸如此类的信号调理电路中所用的运算放大器能够从多方面优化混合信号设计（如血糖监控仪和脉搏血氧仪）的性能。

在便携式应用中，待测量的信号与共模信号相比可能非常小，因而对运算放大器的技术要求比以往更高。例如，脉搏血氧仪测量光通过手指吸收，但大部分光被病人的组织所吸收，只有一小部分光被流经手指的新鲜血液所吸收，目标信号通常仅为总信号的0.1%到2%。医疗仪器面临的另一项挑战是电噪声。许多医疗设备，诸如无线传呼器、泵、电机等，都会向病人周围的区域中发射大量RF噪声。而且，大多数医疗设备都使用很长的引线，它们会像天线一样拾取这些干扰信号，使问题进一步复杂化。此外还要求设备与病人之间必须进行电流隔离。

放大器技术的进步

自从40多年前首款运算放大器问世以来，IC制造和电路设计取得了巨大的进步，始终紧跟终端市场的发展趋势。模拟设计人员的终极目标是推出一款真正理想的放大器，具有无限大开环增益、无限输入阻抗、零偏置电流、零失调电压，并且无噪声。模拟工程师在这些前沿技术领域已获得了长足的进步，但市场和客户期望的不断变化导致新挑战层出不穷。如今，系统设计人员希望拥有的是零功耗、零封装尺寸和零成本的精密运算放大器。为此，运算放大器制造商推出了齐全的产品组合，以更高的标准满足这些要求。如今的运算放大器带宽更宽、噪声更低、工作电压更低、功耗更低、尺寸更小、成本更低。此外，这些器件还能提供更丰富的特性和功能；随着信噪比要求的提高，以及越来越多的家用电器和工业设备涉及实际信号处理，这种趋势仍将延续下去。

IC制造商综合运用新的工艺、设计技术、封装选项和制造能力，生产出更好的器件，成为当今诸多高难度应用的理想之选。鉴于不同的应用要求不同的规格特性组合，厂商不断推出更广泛的放大器产品以满足此类需求。举例而言，有的放大器可能最适合测量温度，但它们并不是光电二极管检测和放大应用的最佳选择。

业界在工艺技术的各个方面都取得了显著的进步。CMOS技术原本主要针对数字电路和微处理器而开发，现已经过优化，同样适用于模拟产品，使得放大器设计人员能够降低功耗和成本，并克服其内在的高电压噪声，从而开发出以前只有利用双极性技术才能实现的超高性能放大器。采用CMOS技术，设计人员能够将低噪声特性与超低偏置电流特性相结合，制造出更好的器件。工业CMOS (iCMOS®)等新型专有制造工艺为实现最低噪声的CMOS放大器(2.7nV/√Hz @ 10kHz)和超低电源电流放大器（每个放大器1μA）提供了有力支持。CMOS技术的另一项益处是能够提供高输入阻抗，这一特性对许多医疗应用至关重要。新型工业双极性工艺，如iPolar™沟渠隔离技术等，通过运用先进的处理技术和JFETS等元件，大幅缩小了芯片尺寸；业界标准放大器OP07的缩小幅度达到60%之多，因而得以采用最小的封装（见图1）。这些工艺技术领域的最新成果使得放大器设计人员能够在其最新产品中集成一些重要特性，如过压保护(OVP)、EMI滤波器和高ESD额定值等。这些特性对于以用户安全和仪器可靠性为重的医疗应用极具价值。举例而言，双通道36V低功耗运算放大器ADA4091-2具有轨到轨输入/输出，并且能在±5V电源轨上下25V的范围内提供过压保护。在JFET放大器领域，低成本ADA4000-1在5引脚TSOT封装中集成了高输入阻抗、低输入偏置电流、宽带宽、快速压摆率和快速建立时间等特性。


图1 新型iPolar工艺使芯片尺寸大为缩小

在不影响性能的前提下减小封装尺寸是便携式设计的一项要求，业界已有能力在继续缩小芯片尺寸的同时，实现前述各项性能改进。芯片微缩技术使得IC制造商能够将器件放入超小型封装的微小空腔中，从而使运算放大器的封装尺寸小到令人叹为观止（如WLCSP封装），肉眼几乎难以看清。节约PCB面积和减轻重量是便携式应用的优势所在，而WLCSP封装占用的PCB面积只有SOIC封装的8%。


图2 紧缩型封装占用的PCB面积非常小

IC设计工程师利用电路和生产测试技术，包括自稳零、斩波、零交越、Digitrim、保险丝熔断和激光调整等，优化了许多特性，使得放大器的若干参数接近于理想要求。在当今的精密放大器领域，小信号设计人员已征服了失调(2μV)、噪声(1 nV/√Hz)和偏置电流等(30 fA)等重要难关。创新设计所带来的高性能器件不断超越用户期望。零交越设计催生了ADA4505-2系列等运算放大器，该系列具有非常高的共模抑制比(CMRR)、超低电源电流和宽带宽（业界最佳之一），所有这些特性都集成在一个8引脚晶圆级芯片规模封装(WLCSP)中。此器件在脉搏血氧仪中的应用示例如图3所示 (www.analog.com/en/circuits-from-the-lab/CN0125/vc.html)。


图3 运算放大器ADA4505-2的应用示例

IC制造商还满足了便携式应用的零功耗要求。低功耗有助于消除风扇及相关成本，减轻重量，实现更便携的产品。低功耗器件还能降低发热量，延长器件寿命，避免器件因热损伤而缩短使用时间。有多家专注于超低功耗性能的医疗保健公司进行了功耗分析，并在模拟域和数字域执行信号处理来进行比较。它们关注的其中一款超低功耗运算放大器就是零漂移放大器ADA4051-2，它已应用于多种便携式血氧仪。对于使用一节AA或镍氢(NiMH)电池供电的应用，尺寸和功耗是首要考虑因素。工作电源电压虽然已经降至1.8V，但目前仍在不断降低。对于要求精密、低工作电压和低功耗等特性的应用，1μA电源电流的AD8500无疑是最佳选择。单电池供电的趋势依然强劲，业界将根据需求推出各款精密放大器。


图4 零漂移放大器ADA4051-2的架构，它是采用LFCSP封装的功耗最低的器件之一

此外，IC制造商也在为实现零成本器件而努力。器件的成本，包括研发费用、芯片成本、制造成本、封装成本、市场营销和经销成本等，目前已大幅下降。OP07等单通道运放在1970年的成本是1.50美元，考虑到通货膨胀因素，折算成现在的成本是8.00美元，但OP07的第四代产品——OP1177的实际成本不到0.80美元，而且后者的交流和直流特性优越得多。零成本的目标或许听上去难以置信，但它无疑表明了IC公司的决心，即致力于在改进性能、对抗通货膨胀的同时，持续削减成本。此外，新型运算放大器能给客户带来极大的价值。如果能够利用16个运放来设计一个前端并仅消耗16μA电流，则将节省数百毫安的功耗，并在存储器、处理和软件开发方面节约大量资金。

精密运算放大器迎合了市场对便携式应用的需求。工艺、设计技术、封装技术和装配技术不断发展将使功耗、封装和成本不断减小，帮助医疗和工业系统设计人员进一步提高产品的功能和性能。随着便携式系统对精密信号调理的要求不断提高，信号调理电路中所用的放大器将发挥越来越重要的作用。未来的设计和封装进步将能以更低的价格提供更精密的规格特性。