模擬信號路徑在便攜醫(yī)療設備中的技術要求

致力于開發(fā)醫(yī)療診斷設備的公司面臨的挑戰(zhàn)就是要為消費者提供物美價廉的產(chǎn)品。在降低醫(yī)護成本和改善病人護理服務方面，最重要的是能縮小這些醫(yī)療設備的體積并提高其精確度。在人口老化問題日趨嚴重的今天，上述需求顯得更為迫切。根據(jù)IMS調(diào)查公司的InMedica報告，消費類醫(yī)療設備的銷售總額到2011年時預計可超過50億美元。

　　醫(yī)療設備監(jiān)護功能的開發(fā)與不斷完善，遠程護理供應商能夠在人類健康的幾個重要領域為居家患者、急癥室救護員以至醫(yī)院提供更佳的診斷工具。血壓計血糖儀、除顫器等監(jiān)護類儀器均需要清晰的模擬信號來進行準確的測量，否則便可能危及生命。設計卓越的模擬信號路徑可幫助設計人員降低外來噪聲的干擾、擴展動態(tài)范圍和加強精確度。此外，在組件選擇方面，設計人員也必須謹慎選擇以滿足最終產(chǎn)品的性能需求。

　　小封裝中的高性能需求

　　此前，人們通常認為醫(yī)院和診所的醫(yī)療設備比家居使用的便攜儀器更為精確?？墒牵碌募夹g趨勢正迅速扭轉著上述的觀點。新的便攜式醫(yī)療設備面的使用者不僅僅有普通消費者，還有深具科技領悟力的病人，因此客戶的需要不再局限于量體溫、做心電圖和測血壓。客戶需要的是全方位的護理及測量功能。

　　為了滿足人們對家居醫(yī)療診斷儀器的迫切需求，設備供應商正憑借先進的貨存管理和創(chuàng)新設計來增強市場競爭力，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)療儀器的領域，有一個因素是非常重要的，這就是產(chǎn)品從最初設計到真正投放市場期間所需的開發(fā)時間?？s短上市時間，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)設計人員的設計是否足夠靈活并具成本效益。

　　工藝技術影響系統(tǒng)設計

　　雖然電氣規(guī)格是設計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，典型的血糖計通常需配合一個帶有極低輸入偏置電流的運算放大器，大多數(shù)的設計人員都會選用JFET放大器。不過，他們在作出決定前應先考慮一下溫度的問題。

　　由于JFET擁有一個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 ，輸入偏置便會大約增加一倍。要計算出輸入偏置的漂移，可使用下列的數(shù)式(參考1)。

　　Ib(T)Ib(T0) x 2(T-T0)/10

　　例如，一個JFET輸入運算放大器(例如美國國家半導體的LF411)在25 °C下的輸入偏置電流為50pA，而一個更佳的選擇是美國國家半導體的LMP7731，它是一款雙極輸入運算放大器，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計來說可能同樣重要，一個低噪聲器件會消耗比較多的電流，而一個低功耗的器件則只可提供有限的帶寬。一個克服這些問題的方法是在適當?shù)膽弥惺褂梅囱a償放大器。與單位增益穩(wěn)定和速度較高這兩點相比，反補償放大器的優(yōu)點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。

　　反補償運算放大器最適合使用在電流-電壓轉換(跨阻)電路。在醫(yī)療儀器中，其中一個最普遍的應用是測量血細胞中的含氧量，稱為SPO2或飽和或外圍氧氣。圖1所示為SPO2模塊的框圖，當中的反補償放大器(TIA)用來將來自光二極管的電流轉化成電壓。

　　圖1 SPO2模塊的典型框圖

　　利用捷徑縮短設計時間

　　醫(yī)療儀器的最重要參數(shù)是噪聲，它可以導致電路本身和附近的設備產(chǎn)生嚴重的干擾。計算噪聲是一項比較沉悶的工作，尤其當您想計算出從電源、放大器、數(shù)據(jù)轉換器以至外部組件，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)的設計人員通常會比較關心處于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)表并沒有提供時域噪聲(峰到峰)的數(shù)值，而只會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商提供測量數(shù)據(jù)外，有一個快速的方法可幫助推算出峰到峰的噪聲量。

　　假設您打算利用美國國家半導體的LMP7731來推算峰到峰(0.1到10Hz)電壓的噪聲量，首先，在指定頻帶內(nèi)的頻率范圍中選擇出一個點，例如是1Hz，那對比曲線時的數(shù)值便是5.1nV/√Hz (圖2)，然后用下列的數(shù)式來計算噪聲的根均方值(RMS)：式 1: enrms=enf√ln(10/0.1), 當中 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。這個估算的結果相當不錯，它與數(shù)據(jù)表中列出的規(guī)格78nV很接近。

　　圖 2 LMP7731的輸入電壓噪聲與頻率的關系頻率、電壓噪聲