利用超小型ADC設(shè)計低功耗醫(yī)療設(shè)備方案

利用超小型ADC設(shè)計低功耗醫(yī)療設(shè)備方案

    目前醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展正在徹底變革家庭醫(yī)療保健市場，人們無需離開家門就能診斷出各種健康狀況。技術(shù)的發(fā)展使得便攜式自助護理保健系統(tǒng)成為現(xiàn)實，這些系統(tǒng)可以幫助人們監(jiān)視諸如血壓、血糖和體溫等重要指標(biāo)。
   
    家庭醫(yī)療監(jiān)察和監(jiān)視系統(tǒng)可以幫助人們掌控自己的健康狀況，但是這些醫(yī)療設(shè)備必須快速和高效率，并能在最重要的時候保證工作。隨著便攜式醫(yī)療傳感器的發(fā)展，更長電池壽命和更小外形尺寸的需求對非組織入侵式護理來說變得愈加關(guān)鍵。
   
    醫(yī)療測量設(shè)備一般需要整合多種信號調(diào)節(jié)電路，包括放大器、濾波、參考源和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等，才能分辨和識別傳感器信號。除了小尺寸外，讀取傳感器輸出的模擬電路要求低功率工作也很重要，這樣才能提供更長的電池壽命和更多的讀取次數(shù)。隨著更小更快的模擬IC的上市，通過墻上插座供電的小型、低功率醫(yī)療設(shè)備也變得越來越流行。

    要求小尺寸和低功耗解決方案的醫(yī)療設(shè)備例子包括血液分析系統(tǒng)、脈搏血氧計、數(shù)字X射線和數(shù)字體溫計等等。
   
    醫(yī)療測量使用的模擬電路
   
    有些醫(yī)療測量需要模擬電路連續(xù)運行，并且每秒要取得數(shù)千甚至數(shù)百萬個讀數(shù)。而有的應(yīng)用每天僅需要讀取一次。就這些偶然性測試而言，模擬電路僅需加一次電進行測量，然后在一天的剩余時間中一直處于空閑狀態(tài)，此時可令其進入低功率“休眠”模式。
   
    模擬IC的選擇取決于傳感器讀數(shù)的頻繁程度。模擬電路的核心是將來自傳感器的模擬讀數(shù)最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字結(jié)果的ADC，數(shù)字結(jié)果可儲存在存儲器中或顯示在屏幕上。就大多數(shù)便攜式醫(yī)療傳感器應(yīng)用而言，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的最佳選擇將是逐次逼近型寄存器(SAR)ADC。
   
    選擇這類ADC有很多理由。首先，SAR ADC非常適用于測量從零赫茲 (穩(wěn)定狀態(tài)) 直到幾兆赫茲的信號。這些ADC還具有快速響應(yīng)和低延遲性能，是測量單個輸入或多個輸入的理想選擇。另一個關(guān)鍵因素是功率。與閃存或管線型ADC不同的是，SAR ADC的功耗將隨采樣率的變化而改變。因此，以每秒1萬次采樣(10ksps)運行的ADC所需的功耗將低于以100ksps運行的功耗，而且功率節(jié)省非常顯著。例如，一個以每秒幾百萬次采樣(Msps)速度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的SAR ADC可能消耗幾毫安電流，而相同的SAR ADC以1ksps或更低采樣率運行時可能僅消耗幾十微安電流。

   脈搏血氧計 
   
    脈搏血氧計就是受益于SAR ADC為核心的一個醫(yī)療應(yīng)用例子。這種設(shè)備用于測量與病人血液中的血紅蛋白相當(dāng)?shù)难鹾?。脈搏血氧計檢測動脈中的血液脈動，因此還能計算病人的心律。一對發(fā)光二極管(LED)通過病人身體的半透明部分(通常是指尖)對著一個光電二極管。一個光發(fā)射器用660nm的波長觸發(fā)一個紅色LED，同時用940nm的波長觸發(fā)一個紅外線LED。光電二極管接收這兩個信號，并將光致電流轉(zhuǎn)換成電壓。然后由ADC測量這個電壓，從而在光通過病人身體后基于每種波長光的吸收率讀出血氧百分數(shù)(參見圖 1)。接下來通常是跨過一個隔離裝置將數(shù)字數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行儲存或在監(jiān)視器上顯示。

    圖1所示的凌力爾特公司LT6202放大器提供了增益帶寬(100MHz)和低壓噪聲(1.9nV/Hz)的良好組合，同時僅消耗2.5mA電流。它還具有0.75pA/Hz的低電流噪聲，在小信號應(yīng)用中具有超低的總體噪聲和失真功率。這個放大器規(guī)定用3V、5V和±5V電源工作。