低功耗运放在便携式医疗设备中的应用
时间：2011-12-21 14:04:35
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[导读]近年来，以电池作为电源的电子产品得到广泛使用，设计工程师迫切要求采用低电压的模拟电路来降低功耗。低电压、低功耗、低噪声的模拟电路设计技术正成为研究的热点。从节约能源角度考虑，低的功率消耗不仅是电池驱动
近年来，以电池作为电源的电子产品得到广泛使用，设计工程师迫切要求采用低电压的模拟电路来降低功耗。低电压、低功耗、低噪声的模拟电路设计技术正成为研究的热点。从节约能源角度考虑，低的功率消耗不仅是电池驱动的便携设备的需求，即便对使用市电的大型系统也是迫切需要，它不但可以延长设备的使用时间，而且还可以延缓设备的老化。作为集成电路中最基本的单元，运算放大器的重要性众所周知。在低压运算放大器中，由于电源电压的降低，信号的动态范围减小，同时噪声信号幅度相对增大，放大器的信噪比降低。在越来越复杂的设计系统中，客户迫切需要完美的模拟设计方案。为解决这些设计问题，帝奥微电子公司专门开发了几款低功耗低噪声运放来满足市场需求。
开发背景
随着医疗电子设备产业的快速发展，用于个人保健的移动手持式医疗电子设备也同样在快速发展，消费者对于手持式除颤仪、动态血糖监视仪、家庭用监护仪的需求越来越强劲。另一种典型的手持式医疗产品就是非接触式红外测温仪，从2003年的非典到近年来的甲流，非接触式红外测温仪不需要接触物体即可测得物体的温度，这个特点使其在一些容易传染的疾病或者比较危险的行业进行测温成为最好的选择。设计这类产品不是一件容易的事，选择适当的元件以满足设计规范要求，尽可能降低成本，确保设计方案的功率，特别关注产品的实际大小等都是在产品设计过程中必须考虑的问题。
不论是温度、脉搏、血糖读取或是其它生物传感器，实现适当的信号放大调理链路都是十分重要的问题。在模拟前端电路中，运算放大器是最关键的单元，这种电路中通常选择低噪声、高精度、低功耗、低偏置电流的运算放大器。信号链的第一级一般使用高共模抑制比、低偏置电流(特别是对红外传感器)、低噪声的运放；第二级会选用低功耗、高精度、低噪声的运算放大器。信号链的下一阶是性能良好的 delta-sigma或逐次逼近模数转换器(ADC)。单周期滤波器设置以及随需转换等特性简化了ADC的设计要求，也提高了转换速度，并提供了较大的源阻抗。利用适当的布局及元件选择，可将一个干净、精确而有意义的信号输入到系统微处理器或DSP中。(图1)
红外测温系统是利用物体的辐射能量与温度有关的原理而组成测温的系统。将普朗克公式在探测器工作波长范围内积分可以得出目标辐射率的大小与目标温度间存在着固定的对应关系，用红外探测器测出目标的热辐射功率，就能计算出目标的表面温度，这是红外测温的理论基础。如图2所示，传感器输出信号经放大、滤波，与温度补偿环节进行修正和补偿，最后得到与被测物体温度成正比的电压。
在这些应用中，运算放大器是非常关键的器件，因为目前手持式温度计使用电池供电，要求极低的功耗。此外，在红外应用中，低偏置电流也是一个重要因素，因为温度计是一个数据测量系统，而且是一个频率比较低的系统，需要低的失调电压和低的噪声。
用DIO2051/2052实现血氧仪和红外测温仪
为满足这些市场的需求，帝奥微电子专门开发了DIO2051/2052芯片。DIO2052/DIO2051具有宽的共模输入范围和宽输出电压摆幅，电源工作电压范围从2.1V到5.5V，温度工作范围从-40℃到125℃。DIO2052/DIO2051的带宽是500kHz，每个通道的静态功耗为 16uA。采用CMOS输入可以得到非常低的输入偏置电流(0.5pA)。电源电压为5V，电阻负载是5K欧姆的条件下，输出范围可以达到 0.1～4.9V(如表1所示)，并可实现高的CMRR和PSRR(如表2所示)以及低静态功耗(如表3所示)。同时，DIO2052/DIO2051具有极低的offset(小于1mV)和低输入噪声(＞10kHz，20Nv/sqrt(Hz))(如表4所示)。
帝奥微电子的DIO2052在血氧仪应用(图3)中，扮演了非常关键的角色。第一级用3个运放搭建成全差分模式作为信号的输入级，提供了很高的共模抑制比，较宽的信号动态范围，最重要的是省掉了昂贵的仪表运放。第二级用两个运放作为信号放大和有源滤波器设计，具有良好的信噪比和低失调。在血氧仪应用中，可使客户实现很高的性价比，提高产品的竞争力并加快上市时间。
在光电式温度计的设计中，采用DIO2052非常符合设计的要求(图4)。DIO2052具有极低的偏置电流(1pA)，这样可以保证远小于红外管的暗电流，提高了感应器的可靠性；极低的功耗(16uA)使得电池供电的温度计可以长时间工作，降低了使用成本；DIO2052低于1mV的VOS，提高了温度计的测量精度；良好的共模抑制比、低噪声等特点保证了电路良好的性能和产品的可靠性，可以在一些危险恶劣的环境下使用。
本文小结
随着人们对自己的健康状况越来越关注，便携式医疗产品得到快速发展。低噪声、高精度、低功耗的运算放大器将广为终端设计所采纳。
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