用于高可靠性醫(yī)療應(yīng)用的混合信號解決方案

　　醫(yī)學(xué)和醫(yī)療方式的進(jìn)步使得有希望進(jìn)行更準(zhǔn)確的診斷、采用新的治療方法以及對病人進(jìn)行更方便的醫(yī)療看護(hù)。從高分辨率成像系統(tǒng)到藥品提供系統(tǒng)和可植入電子產(chǎn)品，模擬和數(shù)字 IC 正在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。這些儀器越來越多地要求高性能、小尺寸和低功率，而這正是凌力爾特優(yōu)于其他公司的領(lǐng)域。

　　此外，醫(yī)療費(fèi)用上漲也在加速對便攜式設(shè)備需求的增長，這類設(shè)備能在醫(yī)院之外監(jiān)視患者情況。存儲(chǔ)在設(shè)備中的醫(yī)療數(shù)據(jù)可下載到 PC 或以電子方式發(fā)送回醫(yī)院。便攜式解決方案需要非常準(zhǔn)確的低功率采樣 IC。凌力爾特公司提供非常適合各種不同醫(yī)療應(yīng)用的創(chuàng)新產(chǎn)品組合，例如電子腦電圖儀 (EEG )、心電圖 (ECG ) 機(jī)、脈沖血氧計(jì)測量、血液分析、PET / SPECT 和 CT 掃描儀、輸注/胰島素泵、血液透析機(jī)、生命體征監(jiān)視器、醫(yī)療成像等醫(yī)療應(yīng)用。本文介紹凌力爾特公司這類創(chuàng)新產(chǎn)品組合中的一些新的產(chǎn)品線。

　　用于醫(yī)療監(jiān)視的 SAR ADC

　　諸如 ECG / EEG 和脈沖血氧計(jì)以及血液和體液分析應(yīng)用等醫(yī)療監(jiān)視需要精確和采樣率高達(dá) 1Msps 的模數(shù)轉(zhuǎn)換。視系統(tǒng)架構(gòu)的不同而不同，12 位 至 16 位 SAR 型 ADC 是良好的選擇。這類監(jiān)視器系統(tǒng)的便攜性要求正在驅(qū)動(dòng)對低功率解決方案和小占板面積器件的需求。為滿足這類需求，凌力爾特公司已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)器件系列。

　　LTC2383 16 位、250ksps 至 1Msps ADC 系列器件具 4mm x 3mm 的小占板面積，提供了卓越的速度、分辨率和低功率 (參見表 1 )。±2.5V 的全差分輸入范圍實(shí)現(xiàn)了 92dB SNR，在工業(yè)和汽車溫度范圍具有保證的 THD 性能規(guī)格。該系列器件在轉(zhuǎn)換之間自動(dòng)斷電，同時(shí)當(dāng)采樣頻率降低時(shí)，線性地降低功耗。LTC2383 在 1Msps 時(shí)僅消耗 13mW 功率。該引腳和軟件兼容的系列包括 LTC2382 (500ksps、6.5mW ) 和 LTC2381 (250ksps、3.25mW )，這兩款器件具專有采樣架構(gòu)，使 ADC 能在當(dāng)前轉(zhuǎn)換期間開始獲取下一個(gè)采樣值。這延長了采樣時(shí)間，從而允許使用極低功率的 ADC 驅(qū)動(dòng)器，因此降低了整個(gè)數(shù)據(jù)采集解決方案的總功耗。LTC2383 系列還提供明顯的 BUSY 和 CHAIN 引腳，以簡化至微處理器的信號接口。LTC2383 系列器件非常適用于多通道應(yīng)用，例如外科設(shè)備中使用的光編碼器，在這類應(yīng)用中，功耗和小尺寸至關(guān)重要。

　　表 1：具明顯 BUSY 和 CHAIN 引腳的 LTC2383低功率、串行 SAR ADC 系列

　　如果需要更寬的輸入動(dòng)態(tài)范圍，那么 LTC2393 16 位 250ksps 至 1Msps ADC 系列提供 ±4.096Vp-p 的全差分輸入范圍，具 94dB SNR 性能，同時(shí)提供一個(gè)集成和精確的 10ppm/oC (最大值) 基準(zhǔn)。LTC2393 非常適用于需要高度集成解決方案的血液和體液分析以及脈沖血氧計(jì)應(yīng)用。在 1Msps 時(shí)，功耗為 135mW，使用該系列器件，可以選擇串行或并行接口。

　　在最近推出的 LTC2379-18、18 位 1.6Msps SAR ADC 中，凌力爾特公司的 ADC 設(shè)計(jì)師還實(shí)現(xiàn)了突破性的 SNR 性能。LTC2379-18 不僅是最快的 18 位無延遲 SAR ADC，而且還實(shí)現(xiàn)了無與倫比的 101dB SNR 基帶性能，同時(shí)僅消耗 23mW 功率。此外，該器件還提供一種數(shù)字壓縮方法，使得無需負(fù)軌就能使用 ADC 驅(qū)動(dòng)器。通過將輸入范圍調(diào)節(jié)至比滿標(biāo)度小 ±500mV，該 ADC 可將調(diào)節(jié)后的范圍理解為滿標(biāo)度輸入驅(qū)動(dòng)范圍，從而僅在最低限度降低 SNR 性能的情況下，利用所有數(shù)字代碼。這種數(shù)字壓縮方法允許使用具較低正電源電壓的單電源 ADC 驅(qū)動(dòng)器，去掉了產(chǎn)生負(fù)軌所需的成本?？傊?，這種方法提供了一種更低功率的解決方案。為了實(shí)現(xiàn)這種不打折扣的 AC 性能，建議使用快速穩(wěn)定的、低噪聲 LT6350 16 位和 18 位 ADC 驅(qū)動(dòng)器。

　　適用于便攜式監(jiān)視應(yīng)用的增量累加 ADC

　　醫(yī)療設(shè)備正在給家庭醫(yī)療保健市場帶來革命，使人們不用走出家門就能診斷各種健康問題?？萍颊趯?shí)現(xiàn)自助護(hù)理保健系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)血壓、血糖、體溫等生命體征監(jiān)控。

　　家庭醫(yī)療檢查和監(jiān)視系統(tǒng)使人們能控制他們的健康狀況，但是這類醫(yī)療設(shè)備必須快速、高效率和可靠地運(yùn)行。隨著便攜式醫(yī)療傳感器的演變，就無創(chuàng)護(hù)理而言，對更長電池壽命和更小外形尺寸的需求變得更加關(guān)鍵了。

　　有些醫(yī)療測量需要模擬電路連續(xù)運(yùn)行，每秒獲取成千上萬甚至數(shù)百萬讀數(shù)。而另一些醫(yī)療應(yīng)用每天僅需要一個(gè)讀數(shù)。就這類非經(jīng)常性的測試而言，模擬電路必須僅加電一次，進(jìn)行測量，然后處于閑置狀態(tài)，在一天的其余時(shí)間以低功率“休眠”模式運(yùn)行。這類 IC 需要提供低功率休眠或打盹模式，以在停機(jī)時(shí)實(shí)現(xiàn)低功耗。

　　凌力爾特公司為便攜式應(yīng)用提供了纖巧、低成本、16 位增量累加 ADC 系列 (圖 1)，應(yīng)用包括：患者可戴在身上及具無線接口的 ECG 監(jiān)視器、或體溫和葡萄糖監(jiān)視器等。LTC2470 系列提供高達(dá) 1ksps 的輸出速率，具有保證的無漏碼 16 位性能、SPI 或 I2C 接口，并含有一個(gè)內(nèi)部 10ppm/oC 基準(zhǔn)，以確保最佳解決方案尺寸。

　　圖 1：凌力爾特公司的纖巧增量累加 ADC 系列

　　面向醫(yī)療成像的高速 ADC

　　醫(yī)療成像應(yīng)用采用種類繁多的高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。超聲、PET / SPECT、核磁共振成像 (MRI) 和 X 射線成像都采用多通道采樣系統(tǒng)來收集圖像數(shù)據(jù)。因?yàn)檫@類應(yīng)用需要非常寬的動(dòng)態(tài)范圍，所以 ADC 的動(dòng)態(tài)性能至關(guān)重要。要實(shí)現(xiàn)最佳性能，就需要高的信噪比和失真度 (SINAD) 以及無寄生動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR ) 性能。此外，在 MRI 等應(yīng)用中，采用欠采樣方法，寬帶寬采樣和保持性能是關(guān)鍵。凌力爾特公司已經(jīng)為成像應(yīng)用開發(fā)了一個(gè)高性能、低功率 12 位和 14 位多通道 ADC 產(chǎn)品線。該引腳兼容、同時(shí)采樣的 4 通道 (LTC2175 ) 和雙通道 (LTC2268 ) ADC 系列的采樣率從 25Msps 直至 125Msps，在最高采樣率時(shí)，每通道僅消耗 140mW 功率 (參見圖 2 )。關(guān)鍵特點(diǎn)包括：在 14 位、800MHz 滿功率帶寬時(shí)具 73.1dB SNR 和 88dB SFDR;串行 LVDS 輸出;低功率休眠和打盹模式。

　　圖 2：14 位和 12 位引腳兼容的 4 通道和雙通道高速 ADC 系列

　　就需要更高分辨率的應(yīng)用而言，新的和具靈活數(shù)字輸出的低功率 16 位單通道和雙通道 ADC 系列提供優(yōu)于 76.8dB 的 SNR 和 90dB 的 SFDR。單通道 LTC2165 和雙通道 LTC2185 ADC 系列提供了全速率 CMOS 或雙數(shù)據(jù)速率 (DDR ) CMOS / LVDS 數(shù)字輸出的選擇。LTC2195 系列包括具串行 LVDS 輸出、雙通道、同時(shí)采樣 ADC。在 125Msps 采樣率時(shí)，這些 ADC 每通道僅從 1.8V 電源消耗 185mW 功率 (參見圖 3 )，而且在每一個(gè)速度級上，每通道約為 1.5mW/Msps。SPI 接口實(shí)現(xiàn)可編程數(shù)字輸出定時(shí)、可編程 LVDS 輸出電流以及可選 LVDS 輸出終止。

　　圖 3：16 位單通道和雙通道高速 ADC 系列

　　面向醫(yī)療成像的電源管理

　　今天的高可靠性醫(yī)療系統(tǒng)需要復(fù)雜的數(shù)字電源管理解決方案，以對大量電壓軌進(jìn)行排序、監(jiān)察、監(jiān)視和裕度調(diào)節(jié)。一個(gè)應(yīng)用電路板有幾十個(gè)軌的情況并非不常見，而且每一個(gè)軌都有自己獨(dú)特的要求。典型情況下，這類系統(tǒng)的電源管理解決方案要求由 FPGA 或微控制器控制的幾個(gè)分立器件分布于電路板各處，以對電源陣列進(jìn)行排序、檢查、監(jiān)視和裕度調(diào)節(jié)。采用這種方案時(shí)，需要大量時(shí)間和工作量來開發(fā)必要的固件。

　　具 EEPROM 的 LTC2978 8 通道數(shù)字電源管理器 (圖 4 ) 為醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供了一款集成和模塊化的解決方案，與微控制器解決方案相比，該方案減少了調(diào)試時(shí)間和工作量。LTC2978 可以對 8 個(gè)電源進(jìn)行排序接通、排序斷開、監(jiān)視、檢查、裕度調(diào)節(jié)和微調(diào)。多個(gè) LTC2978 可以非常容易地利用單條共享時(shí)鐘總線以及一個(gè)或多個(gè)雙向故障引腳 (圖 1 顯示了一個(gè)典型應(yīng)用) 進(jìn)行級聯(lián)，以在單條 I2C 地址總線上控制多達(dá) 72 個(gè)軌。

　　圖 4：具 EEPROM 的 LTC2978 8 通道數(shù)字電源管理器

　　Supply：電源

　　STATUS：狀態(tài)

　　此外，如果關(guān)鍵系統(tǒng)出現(xiàn)故障，那么 LTC2978 就用一種受保護(hù)的非易失性存儲(chǔ)器構(gòu)件來記錄系統(tǒng)電壓和故障信息。在非易失性存儲(chǔ)器中保留關(guān)鍵系統(tǒng)數(shù)據(jù)，使用戶能識別故障電壓軌，并在系統(tǒng)開發(fā)、測試調(diào)試或故障分析時(shí)隔離電路板故障源。

　　LTC2978 運(yùn)用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn) PMBus 指令協(xié)議，以簡化固件開發(fā)。LTC2978 最重要的特點(diǎn)是其精確的集成基準(zhǔn)和 15 位增量累加 ADC，當(dāng)測量或調(diào)節(jié)電源電壓時(shí)，該基準(zhǔn)和 ADC 提供 ±0.25% 的絕對準(zhǔn)確度。

　　LTC2978 成功的關(guān)鍵是凌力爾特公司的 LTpowerPlayTM 軟件工具，LTpowerPlay 是一款可免費(fèi)下載的軟件，提供圖形 PC 界面，在設(shè)計(jì)和測試中方便了與該器件的互動(dòng)。LTpowerPlay 軟件工具為使用 LTC2978 的功能提供了一種簡單易用且非常強(qiáng)大的配置工具。該軟件工具也將支持凌力爾特公司未來的數(shù)字電源管理器件。

　　為保護(hù)患者而產(chǎn)生的隔離要求

　　設(shè)計(jì)醫(yī)療產(chǎn)品時(shí)，一個(gè)重要的考慮因素是，接觸患者的產(chǎn)品要滿足 IEC60601-1 的 4kV 隔離額定值。此外，要求低勢壘電容，以幫助最大限度地減少醫(yī)療設(shè)備的漏電流?；颊呋虿僮魅藛T可能接觸到的機(jī)殼漏電流稱為“接觸電流”。IEC60601 規(guī)定，在正常工作時(shí)，該電流的限制為 100A，在發(fā)生單個(gè)故障情況下，該電流的限制為 500A。另一種漏電流測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了總的患者漏電流，該項(xiàng)規(guī)定量度的是，當(dāng)醫(yī)療設(shè)備工作所需的所有應(yīng)用部件與患者接觸時(shí)產(chǎn)生的漏電流。

　　按照 IEC60601-1 標(biāo)準(zhǔn)，隔離勢壘上的所有組件都須在持續(xù) 1 分鐘的時(shí)間內(nèi)滿足 4000VAC (或 5600VDC) 的隔離要求。該標(biāo)準(zhǔn)還定義了患者保護(hù)方法 (MOPP)，該方法描述了降低患者受電擊風(fēng)險(xiǎn)所需的隔離保護(hù)。該隔離保護(hù)包括爬電距離 / 間隙距離、絕緣及保護(hù)性接地線路。

　　凌力爾特公司用一個(gè)隔離器件產(chǎn)品線幫助滿足了這些要求，該系列器件提供集成的電源，無需外部組件就可提供高達(dá) 5kVRMS 的隔離。該系列的第一批產(chǎn)品包括 2.5kVRMS LTM2881 隔離式 RS485 (圖 5) 和 LTM2882 雙通道隔離式 RS232 微型模塊 (µModule?) 收發(fā)器，2011 年年初推出 5kV 的引腳兼容版本。兩款產(chǎn)品都含有一個(gè)隔離式、效率高達(dá) 65% 的 1W DC/DC 轉(zhuǎn)換器，在 5V 穩(wěn)定輸出時(shí)提供超出所需的功率。從耦合電容、二極管到甚至可切換的終端電阻器 (LTM2881) ，所有組件都集成到模塊中。在收發(fā)器引腳上以及跨隔離勢壘兩端很強(qiáng)的 ESD 保護(hù)確保無閉鎖或損壞。這些新的器件提供了一種非常堅(jiān)固、甚至經(jīng)歷 30kV/µs 瞬態(tài)事件都能提供連續(xù)通信的解決方案。LTM2881 和 LTM2882 提供了一種低 EMI 解決方案，如果遵循良好的布局實(shí)踐，那么該方案可滿足 EN55022 B 類輻射要求。

　　圖 5：完整的隔離式 RS485 / RS422 微型模塊收發(fā)器 + 1W 功率的 LTM2881

　　3.3V or 5V：3.3V 或 5V

　　Isolated Power：隔離式電源

　　Galvanic Isolation：電流隔離

　　Bus：總線

　　結(jié)論

　　凌力爾特公司提供種類繁多的通用混合信號產(chǎn)品，這些產(chǎn)品提供很高的模擬性能，專注于效率和靈活性，以滿足醫(yī)療應(yīng)用需求。因?yàn)獒t(yī)療產(chǎn)品可能需要很多年才能投入生產(chǎn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)能充分相信器件將持續(xù)供貨這一點(diǎn)是很重要。凌力爾特公司有一項(xiàng)政策，即不淘汰器件，并努力持續(xù)支持所有已推出的產(chǎn)品。