順應便攜式醫(yī)療保健應用的需求

兩種趨勢影響著醫(yī)療和工業(yè)設備設計人員：一是便攜性，二是此類設備越來越多地用于消費和實驗室應用。血糖監(jiān)控儀、多參數血液分析儀、脈搏血氧儀、PH計和環(huán)境監(jiān)控儀就是其中的例子，這些設備一度僅存在于實驗室，但現在也用于便攜式應用。

便攜式設備必須小巧輕便，功耗低，而且性能不打折扣。同時，便攜式設備對價格非常敏感。近年來，設備制造商開始使用成品器件代替ASIC，以便降低設計成本，縮短新型號的上市時間。此外，隨著精度和平臺靈活性不斷提高，要開發(fā)一款全能型單芯片解決方案非常困難。許多小公司一般也無力承受ASIC的高昂成本。

在醫(yī)療和工業(yè)系統(tǒng)中，測量路徑首先從傳感器開始，其輸出在提供給ADC之前，可能先要經過放大、濾波和電平轉換。諸如此類的信號調理電路中所用的運算放大器能夠從多方面優(yōu)化混合信號設計（如血糖監(jiān)控儀和脈搏血氧儀）的性能。

在便攜式應用中，待測量的信號與共模信號相比可能非常小，因而對運算放大器的技術要求比以往更高。例如，脈搏血氧儀測量光通過手指吸收，但大部分光被病人的組織所吸收，只有一小部分光被流經手指的新鮮血液所吸收，目標信號通常僅為總信號的0.1%到2%。醫(yī)療儀器面臨的另一項挑戰(zhàn)是電噪聲。許多醫(yī)療設備，諸如無線傳呼器、泵、電機等，都會向病人周圍的區(qū)域中發(fā)射大量RF噪聲。而且，大多數醫(yī)療設備都使用很長的引線，它們會像天線一樣拾取這些干擾信號，使問題進一步復雜化。此外還要求設備與病人之間必須進行電流隔離。

放大器技術的進步

自從40多年前首款運算放大器問世以來，IC制造和電路設計取得了巨大的進步，始終緊跟終端市場的發(fā)展趨勢。模擬設計人員的終極目標是推出一款真正理想的放大器，具有無限大開環(huán)增益、無限輸入阻抗、零偏置電流、零失調電壓，并且無噪聲。模擬工程師在這些前沿技術領域已獲得了長足的進步，但市場和客戶期望的不斷變化導致新挑戰(zhàn)層出不窮。如今，系統(tǒng)設計人員希望擁有的是零功耗、零封裝尺寸和零成本的精密運算放大器。為此，運算放大器制造商推出了齊全的產品組合，以更高的標準滿足這些要求。如今的運算放大器帶寬更寬、噪聲更低、工作電壓更低、功耗更低、尺寸更小、成本更低。此外，這些器件還能提供更豐富的特性和功能；隨著信噪比要求的提高，以及越來越多的家用電器和工業(yè)設備涉及實際信號處理，這種趨勢仍將延續(xù)下去。

IC制造商綜合運用新的工藝、設計技術、封裝選項和制造能力，生產出更好的器件，成為當今諸多高難度應用的理想之選。鑒于不同的應用要求不同的規(guī)格特性組合，廠商不斷推出更廣泛的放大器產品以滿足此類需求。舉例而言，有的放大器可能最適合測量溫度，但它們并不是光電二極管檢測和放大應用的最佳選擇。

業(yè)界在工藝技術的各個方面都取得了顯著的進步。CMOS技術原本主要針對數字電路和微處理器而開發(fā)，現已經過優(yōu)化，同樣適用于模擬產品，使得放大器設計人員能夠降低功耗和成本，并克服其內在的高電壓噪聲，從而開發(fā)出以前只有利用雙極性技術才能實現的超高性能放大器。采用CMOS技術，設計人員能夠將低噪聲特性與超低偏置電流特性相結合，制造出更好的器件。工業(yè)CMOS (iCMOS®)等新型專有制造工藝為實現最低噪聲的CMOS放大器(2.7nV/√Hz @ 10kHz)和超低電源電流放大器（每個放大器1μA）提供了有力支持。CMOS技術的另一項益處是能夠提供高輸入阻抗，這一特性對許多醫(yī)療應用至關重要。新型工業(yè)雙極性工藝，如iPolar™溝渠隔離技術等，通過運用先進的處理技術和JFETS等元件，大幅縮小了芯片尺寸；業(yè)界標準放大器OP07的縮小幅度達到60%之多，因而得以采用最小的封裝（見圖1）。這些工藝技術領域的最新成果使得放大器設計人員能夠在其最新產品中集成一些重要特性，如過壓保護(OVP)、EMI濾波器和高ESD額定值等。這些特性對于以用戶安全和儀器可靠性為重的醫(yī)療應用極具價值。舉例而言，雙通道36V低功耗運算放大器ADA4091-2具有軌到軌輸入/輸出，并且能在±5V電源軌上下25V的范圍內提供過壓保護。在JFET放大器領域，低成本ADA4000-1在5引腳TSOT封裝中集成了高輸入阻抗、低輸入偏置電流、寬帶寬、快速壓擺率和快速建立時間等特性。


圖1 新型iPolar工藝使芯片尺寸大為縮小

在不影響性能的前提下減小封裝尺寸是便攜式設計的一項要求，業(yè)界已有能力在繼續(xù)縮小芯片尺寸的同時，實現前述各項性能改進。芯片微縮技術使得IC制造商能夠將器件放入超小型封裝的微小空腔中，從而使運算放大器的封裝尺寸小到令人嘆為觀止（如WLCSP封裝），肉眼幾乎難以看清。節(jié)約PCB面積和減輕重量是便攜式應用的優(yōu)勢所在，而WLCSP封裝占用的PCB面積只有SOIC封裝的8%。


圖2 緊縮型封裝占用的PCB面積非常小

IC設計工程師利用電路和生產測試技術，包括自穩(wěn)零、斬波、零交越、Digitrim、保險絲熔斷和激光調整等，優(yōu)化了許多特性，使得放大器的若干參數接近于理想要求。在當今的精密放大器領域，小信號設計人員已征服了失調(2μV)、噪聲(1 nV/√Hz)和偏置電流等(30 fA)等重要難關。創(chuàng)新設計所帶來的高性能器件不斷超越用戶期望。零交越設計催生了ADA4505-2系列等運算放大器，該系列具有非常高的共模抑制比(CMRR)、超低電源電流和寬帶寬（業(yè)界最佳之一），所有這些特性都集成在一個8引腳晶圓級芯片規(guī)模封裝(WLCSP)中。此器件在脈搏血氧儀中的應用示例如圖3所示 (www.analog.com/en/circuits-from-the-lab/CN0125/vc.html)。


圖3 運算放大器ADA4505-2的應用示例

IC制造商還滿足了便攜式應用的零功耗要求。低功耗有助于消除風扇及相關成本，減輕重量，實現更便攜的產品。低功耗器件還能降低發(fā)熱量，延長器件壽命，避免器件因熱損傷而縮短使用時間。有多家專注于超低功耗性能的醫(yī)療保健公司進行了功耗分析，并在模擬域和數字域執(zhí)行信號處理來進行比較。它們關注的其中一款超低功耗運算放大器就是零漂移放大器ADA4051-2，它已應用于多種便攜式血氧儀。對于使用一節(jié)AA或鎳氫(NiMH)電池供電的應用，尺寸和功耗是首要考慮因素。工作電源電壓雖然已經降至1.8V，但目前仍在不斷降低。對于要求精密、低工作電壓和低功耗等特性的應用，1μA電源電流的AD8500無疑是最佳選擇。單電池供電的趨勢依然強勁，業(yè)界將根據需求推出各款精密放大器。


圖4 零漂移放大器ADA4051-2的架構，它是采用LFCSP封裝的功耗最低的器件之一

此外，IC制造商也在為實現零成本器件而努力。器件的成本，包括研發(fā)費用、芯片成本、制造成本、封裝成本、市場營銷和經銷成本等，目前已大幅下降。OP07等單通道運放在1970年的成本是1.50美元，考慮到通貨膨脹因素，折算成現在的成本是8.00美元，但OP07的第四代產品——OP1177的實際成本不到0.80美元，而且后者的交流和直流特性優(yōu)越得多。零成本的目標或許聽上去難以置信，但它無疑表明了IC公司的決心，即致力于在改進性能、對抗通貨膨脹的同時，持續(xù)削減成本。此外，新型運算放大器能給客戶帶來極大的價值。如果能夠利用16個運放來設計一個前端并僅消耗16μA電流，則將節(jié)省數百毫安的功耗，并在存儲器、處理和軟件開發(fā)方面節(jié)約大量資金。

精密運算放大器迎合了市場對便攜式應用的需求。工藝、設計技術、封裝技術和裝配技術不斷發(fā)展將使功耗、封裝和成本不斷減小，幫助醫(yī)療和工業(yè)系統(tǒng)設計人員進一步提高產品的功能和性能。隨著便攜式系統(tǒng)對精密信號調理的要求不斷提高，信號調理電路中所用的放大器將發(fā)揮越來越重要的作用。未來的設計和封裝進步將能以更低的價格提供更精密的規(guī)格特性。