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模擬信號(hào)路徑運(yùn)用于便攜醫(yī)療設(shè)備

來源：上海東方馬達(dá)特價(jià)銷售處 2013年04月10日 14:03

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?、急癥室救護(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(hào)來進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)

量，否則便可能危及生命。設(shè)計(jì)的模擬信號(hào)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(shì)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(cè)血壓。客戶需要的是的護(hù)理及

測(cè)量功能。

　　為了滿足人們對(duì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，并為產(chǎn)品配備更多的功能來爭(zhēng)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(chǎng)期間所需的開發(fā)時(shí)間。縮短上市時(shí)間，可

以讓廠商的產(chǎn)品搶占市場(chǎng)。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?cè)谧?/div>

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(píng)估系統(tǒng)的取舍

　　速度、噪聲和功耗對(duì)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(cè)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(hào)路徑對(duì)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(cè)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(duì)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(jiǎn)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?？墒牵偃珉娫吹淖杩购艽螅潜仨毷褂孟嗤募?/div>

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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