低功耗運(yùn)放在便攜式醫(yī)療和消防系統(tǒng)中的應(yīng)用

1. 引言

近年來(lái)，以電池作為電源的電子產(chǎn)品得到廣泛使用，設(shè)計(jì)師迫切要求采用低電壓的模擬電路來(lái)降低功耗。低電壓、低功耗、低噪聲的模擬電路設(shè)計(jì)技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)。從節(jié)約能源角度考慮，低的功率消耗不僅是電池驅(qū)動(dòng)的便攜設(shè)備的需求，即便對(duì)使用市電的大型系統(tǒng)也是迫切需要，它不但可以延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間，也可以延緩設(shè)備的老化。運(yùn)算放大器作為集成電路中最基本的單元，其重要性是眾所周知的。在低壓運(yùn)算放大器中，由于電源電壓的降低，信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍減小，同時(shí)，噪聲信號(hào)幅度相對(duì)增大，放大器的信噪比降低。為了解決這些設(shè)計(jì)問(wèn)題，帝奧微電子公司專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了幾款低功耗低噪聲運(yùn)放來(lái)滿(mǎn)足這個(gè)市場(chǎng)需求。

2. 背景

隨著醫(yī)療電子設(shè)備產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，用于個(gè)人保健的移動(dòng)手持式醫(yī)療電子設(shè)備也同樣在快速發(fā)展。不管是手持式除顫儀還是動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)視儀，設(shè)計(jì)這類(lèi)產(chǎn)品都不是一件容易的事。選擇適當(dāng)?shù)脑M(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求、盡可能降低成本、確保設(shè)計(jì)方案的功率、特別關(guān)注產(chǎn)品的實(shí)際大小等等，都是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮的問(wèn)題。同樣隨著國(guó)人安防安全意識(shí)的提高，煙霧探測(cè)設(shè)備進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)，對(duì)低功耗（電池壽命長(zhǎng)）靈敏度和可靠性高的消防產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

血壓監(jiān)視儀的結(jié)構(gòu)框圖

不論是溫度、脈搏、血糖讀取或其它生物傳感器，實(shí)施適當(dāng)?shù)男盘?hào)放大調(diào)理鏈路都是最重要的問(wèn)題。在模擬前端電路中，運(yùn)算放大器是最關(guān)鍵的單元，在這種電路中，一般選擇低噪聲，高精度，低功耗，低偏置電流的運(yùn)算放大器。信號(hào)鏈的第一階一般使用高共模抑制比，低偏置電流（特別對(duì)紅外管傳感器），低噪聲的運(yùn)放；第二級(jí)會(huì)選用低功耗，高精度，低噪聲的運(yùn)算放大器。信號(hào)鏈下一階是良好的delta-sigma或逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。單周期濾波器設(shè)置及隨需轉(zhuǎn)換等特性簡(jiǎn)化了ADC的設(shè)計(jì)要求，也提高了轉(zhuǎn)換速度，并提供了較大的源阻抗。利用適當(dāng)?shù)牟季旨霸x擇，可將一個(gè)干凈、精確而有意義的信號(hào)輸入到系統(tǒng)微處理器/DSP中。

煙感結(jié)構(gòu)框圖

煙霧傳感器構(gòu)成的報(bào)警器，能及時(shí)報(bào)告火警。在煙霧傳感器中，安裝著一種對(duì)煙霧氣特別敏感的半導(dǎo)體材料，如氧化錫、氧化鋅等，因而亦稱(chēng)它們?yōu)闅饷舨牧稀Ｔ谟袩熿F氣的環(huán)境中，當(dāng)煙霧氣的濃度達(dá)到一定量值時(shí)，氣敏材料內(nèi)部的電阻值就會(huì)迅速下降。一旦煙霧氣消失，它們的電阻值又會(huì)恢復(fù)正常。另外一種煙霧檢測(cè)的方法是，利用紅外光線被煙霧遮擋而造成紅外接收測(cè)電流變化而報(bào)警的原理。光電方式又分前向散射與后向散射探測(cè)方式，傳感器安裝在光學(xué)迷宮里，沒(méi)有煙霧時(shí)傳感器接收不到或只接收到很微弱的光信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器放大，邏輯判斷電路不做報(bào)警處理，有煙霧進(jìn)入迷宮時(shí)，光線照射到煙霧粒子上產(chǎn)生散射，傳感器接收到比較強(qiáng)的光信號(hào)，經(jīng)放大后，邏輯報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)信號(hào)。在這些應(yīng)用中，運(yùn)算放大器是其中的關(guān)鍵器件，要求超低功耗，低偏置電流，低噪聲。

3. 帝奧微電子DIO2051/2052的應(yīng)用

帝奧微電子為了滿(mǎn)足這些市場(chǎng)的需要，特開(kāi)發(fā)了一款DIO2051/2052芯片來(lái)滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。DIO2052/DIO2051 有寬的共模輸入范圍和寬的輸出電壓擺幅，電源工作電壓從2.1V到5.5V，溫度工作范圍從-40℃到125℃。

DIO2052/DIO2051的bandwidth是500kHz，每個(gè)通道的靜態(tài)功耗是1６uA。采用CMOS的輸入，可以得到非常低的輸入偏置電流（0.5pA）。電源電壓為５Ｖ，電阻負(fù)載是５Ｋ歐姆的條件下，輸出范圍可以達(dá)到０.１～４.９Ｖ，如表１所示。高的ＣＭＲＲ和ＰＳＲＲ，如表２所示。低的靜態(tài)功耗，如表３所示。同時(shí)，DIO2052/DIO2051具有低的offset（小于１ｍＶ），低的輸入噪聲，在大于＞１０ｋＨｚ，２０ｎＶ／ｓｑｒｔ（Ｈｚ），如表４所示。

表 1 在不同的電阻負(fù)載條件下，輸入輸出曲線

表 2 ＰＳＲＲ和ＣＭＲＲ

表 3　靜態(tài)功耗隨電源電壓變化曲線

表 4　等效的輸入噪聲

帝奧微電子DIO2052在血氧儀中的應(yīng)用

帝奧微電子的DIO2052在血氧儀應(yīng)用中，扮演了非常關(guān)鍵的角色。第一級(jí)用3個(gè)運(yùn)放搭建成全差分模式作為信號(hào)的輸入級(jí)，提供了很高的共模抑制比，較寬的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，最重要的是省掉了昂貴的儀表運(yùn)放。第二級(jí)用兩個(gè)運(yùn)放作為信號(hào)放大和有源濾波器設(shè)計(jì)，具有良好的信噪比和低失調(diào)。在血氧儀的應(yīng)用中，使客戶(hù)取得了非常高的性?xún)r(jià)比，提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力和加快了上市時(shí)間。

光電式煙感DIO2052應(yīng)用實(shí)例

在這個(gè)光電式煙霧感應(yīng)器的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師采用的DIO2052非常符合設(shè)計(jì)的要求。DIO2052具有極低的偏置電流（＜1pA），這樣可以保證遠(yuǎn)小于紅外管的暗電流，提高了感應(yīng)器的可靠性；DIO2052具有極低的功耗（＜18uA），使得簡(jiǎn)易電池供電煙霧感應(yīng)器可以長(zhǎng)時(shí)間工作，即便是組網(wǎng)的煙感，也可以讓更多的終端連接到消防控制中心上；DIO2052良好的共模抑制比，低噪聲等特點(diǎn)，保證了電路良好的性能和產(chǎn)品的可靠性，符合消防產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念。

4. 小結(jié)

隨著人們對(duì)自己的健康狀況越來(lái)越關(guān)注，對(duì)生存環(huán)境安全性越來(lái)越關(guān)注，便攜式醫(yī)療產(chǎn)品，消防報(bào)警產(chǎn)品必然得到高速的發(fā)展。低噪聲，高精度，低功耗的運(yùn)算放大器將廣為終端設(shè)計(jì)所采納。