順應(yīng)便攜式醫(yī)療保健應(yīng)用的需求

兩種趨勢(shì)影響著醫(yī)療和工業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)人員：一是便攜性，二是此類(lèi)設(shè)備越來(lái)越多地用于消費(fèi)和實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。血糖監(jiān)控儀、多參數(shù)血液分析儀、脈搏血氧儀、PH計(jì)和環(huán)境監(jiān)控儀就是其中的例子，這些設(shè)備一度僅存在于實(shí)驗(yàn)室，但現(xiàn)在也用于便攜式應(yīng)用。

便攜式設(shè)備必須小巧輕便，功耗低，而且性能不打折扣。同時(shí)，便攜式設(shè)備對(duì)價(jià)格非常敏感。近年來(lái)，設(shè)備制造商開(kāi)始使用成品器件代替ASIC，以便降低設(shè)計(jì)成本，縮短新型號(hào)的上市時(shí)間。此外，隨著精度和平臺(tái)靈活性不斷提高，要開(kāi)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(wú)力承受ASIC的高昂成本。

在醫(yī)療和工業(yè)系統(tǒng)中，測(cè)量路徑首先從傳感器開(kāi)始，其輸出在提供給ADC之前，可能先要經(jīng)過(guò)放大、濾波和電平轉(zhuǎn)換。諸如此類(lèi)的信號(hào)調(diào)理電路中所用的運(yùn)算放大器能夠從多方面優(yōu)化混合信號(hào)設(shè)計(jì)（如血糖監(jiān)控儀和脈搏血氧儀）的性能。

在便攜式應(yīng)用中，待測(cè)量的信號(hào)與共模信號(hào)相比可能非常小，因而對(duì)運(yùn)算放大器的技術(shù)要求比以往更高。例如，脈搏血氧儀測(cè)量光通過(guò)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(jīng)手指的新鮮血液所吸收，目標(biāo)信號(hào)通常僅為總信號(hào)的0.1%到2%。醫(yī)療儀器面臨的另一項(xiàng)挑戰(zhàn)是電噪聲。許多醫(yī)療設(shè)備，諸如無(wú)線傳呼器、泵、電機(jī)等，都會(huì)向病人周?chē)膮^(qū)域中發(fā)射大量RF噪聲。而且，大多數(shù)醫(yī)療設(shè)備都使用很長(zhǎng)的引線，它們會(huì)像天線一樣拾取這些干擾信號(hào)，使問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化。此外還要求設(shè)備與病人之間必須進(jìn)行電流隔離。

放大器技術(shù)的進(jìn)步

自從40多年前首款運(yùn)算放大器問(wèn)世以來(lái)，IC制造和電路設(shè)計(jì)取得了巨大的進(jìn)步，始終緊跟終端市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。模擬設(shè)計(jì)人員的終極目標(biāo)是推出一款真正理想的放大器，具有無(wú)限大開(kāi)環(huán)增益、無(wú)限輸入阻抗、零偏置電流、零失調(diào)電壓，并且無(wú)噪聲。模擬工程師在這些前沿技術(shù)領(lǐng)域已獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但市場(chǎng)和客戶期望的不斷變化導(dǎo)致新挑戰(zhàn)層出不窮。如今，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員希望擁有的是零功耗、零封裝尺寸和零成本的精密運(yùn)算放大器。為此，運(yùn)算放大器制造商推出了齊全的產(chǎn)品組合，以更高的標(biāo)準(zhǔn)滿足這些要求。如今的運(yùn)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(lái)越多的家用電器和工業(yè)設(shè)備涉及實(shí)際信號(hào)處理，這種趨勢(shì)仍將延續(xù)下去。

IC制造商綜合運(yùn)用新的工藝、設(shè)計(jì)技術(shù)、封裝選項(xiàng)和制造能力，生產(chǎn)出更好的器件，成為當(dāng)今諸多高難度應(yīng)用的理想之選。鑒于不同的應(yīng)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(chǎn)品以滿足此類(lèi)需求。舉例而言，有的放大器可能最適合測(cè)量溫度，但它們并不是光電二極管檢測(cè)和放大應(yīng)用的最佳選擇。

業(yè)界在工藝技術(shù)的各個(gè)方面都取得了顯著的進(jìn)步。CMOS技術(shù)原本主要針對(duì)數(shù)字電路和微處理器而開(kāi)發(fā)，現(xiàn)已經(jīng)過(guò)優(yōu)化，同樣適用于模擬產(chǎn)品，使得放大器設(shè)計(jì)人員能夠降低功耗和成本，并克服其內(nèi)在的高電壓噪聲，從而開(kāi)發(fā)出以前只有利用雙極性技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)的超高性能放大器。采用CMOS技術(shù)，設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒌驮肼曁匦耘c超低偏置電流特性相結(jié)合，制造出更好的器件。工業(yè)CMOS (iCMOS®)等新型專(zhuān)有制造工藝為實(shí)現(xiàn)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(gè)放大器1μA）提供了有力支持。CMOS技術(shù)的另一項(xiàng)益處是能夠提供高輸入阻抗，這一特性對(duì)許多醫(yī)療應(yīng)用至關(guān)重要。新型工業(yè)雙極性工藝，如iPolar™溝渠隔離技術(shù)等，通過(guò)運(yùn)用先進(jìn)的處理技術(shù)和JFETS等元件，大幅縮小了芯片尺寸；業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)放大器OP07的縮小幅度達(dá)到60%之多，因而得以采用最小的封裝（見(jiàn)圖1）。這些工藝技術(shù)領(lǐng)域的最新成果使得放大器設(shè)計(jì)人員能夠在其最新產(chǎn)品中集成一些重要特性，如過(guò)壓保護(hù)(OVP)、EMI濾波器和高ESD額定值等。這些特性對(duì)于以用戶安全和儀器可靠性為重的醫(yī)療應(yīng)用極具價(jià)值。舉例而言，雙通道36V低功耗運(yùn)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(nèi)提供過(guò)壓保護(hù)。在JFET放大器領(lǐng)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(shí)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(shè)計(jì)的一項(xiàng)要求，業(yè)界已有能力在繼續(xù)縮小芯片尺寸的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)前述各項(xiàng)性能改進(jìn)。芯片微縮技術(shù)使得IC制造商能夠?qū)⑵骷湃氤⌒头庋b的微小空腔中，從而使運(yùn)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(yīng)用的優(yōu)勢(shì)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(shè)計(jì)工程師利用電路和生產(chǎn)測(cè)試技術(shù)，包括自穩(wěn)零、斬波、零交越、Digitrim、保險(xiǎn)絲熔斷和激光調(diào)整等，優(yōu)化了許多特性，使得放大器的若干參數(shù)接近于理想要求。在當(dāng)今的精密放大器領(lǐng)域，小信號(hào)設(shè)計(jì)人員已征服了失調(diào)(2μV)、噪聲(1 nV/√Hz)和偏置電流等(30 fA)等重要難關(guān)。創(chuàng)新設(shè)計(jì)所帶來(lái)的高性能器件不斷超越用戶期望。零交越設(shè)計(jì)催生了ADA4505-2系列等運(yùn)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(gè)8引腳晶圓級(jí)芯片規(guī)模封裝(WLCSP)中。此器件在脈搏血氧儀中的應(yīng)用示例如圖3所示 (www.analog.com/en/circuits-from-the-lab/CN0125/vc.html)。


圖3 運(yùn)算放大器ADA4505-2的應(yīng)用示例

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


圖4 零漂移放大器ADA4051-2的架構(gòu)，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(shí)現(xiàn)零成本器件而努力。器件的成本，包括研發(fā)費(fèi)用、芯片成本、制造成本、封裝成本、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)和經(jīng)銷(xiāo)成本等，目前已大幅下降。OP07等單通道運(yùn)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(xiàn)在的成本是8.00美元，但OP07的第四代產(chǎn)品——OP1177的實(shí)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(biāo)或許聽(tīng)上去難以置信，但它無(wú)疑表明了IC公司的決心，即致力于在改進(jìn)性能、對(duì)抗通貨膨脹的同時(shí)，持續(xù)削減成本。此外，新型運(yùn)算放大器能給客戶帶來(lái)極大的價(jià)值。如果能夠利用16個(gè)運(yùn)放來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)前端并僅消耗16μA電流，則將節(jié)省數(shù)百毫安的功耗，并在存儲(chǔ)器、處理和軟件開(kāi)發(fā)方面節(jié)約大量資金。

精密運(yùn)算放大器迎合了市場(chǎng)對(duì)便攜式應(yīng)用的需求。工藝、設(shè)計(jì)技術(shù)、封裝技術(shù)和裝配技術(shù)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(shè)計(jì)人員進(jìn)一步提高產(chǎn)品的功能和性能。隨著便攜式系統(tǒng)對(duì)精密信號(hào)調(diào)理的要求不斷提高，信號(hào)調(diào)理電路中所用的放大器將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。未來(lái)的設(shè)計(jì)和封裝進(jìn)步將能以更低的價(jià)格提供更精密的規(guī)格特性。