低功耗運放在便攜式醫(yī)療和消防系統(tǒng)中的應用

1. 引言

近年來，以電池作為電源的電子產(chǎn)品得到廣泛使用，設計師迫切要求采用低電壓的模擬電路來降低功耗。低電壓、低功耗、低噪聲的模擬電路設計技術(shù)正成為研究的熱點。從節(jié)約能源角度考慮，低的功率消耗不僅是電池驅(qū)動的便攜設備的需求，即便對使用市電的大型系統(tǒng)也是迫切需要，它不但可以延長設備的使用時間，也可以延緩設備的老化。運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。在低壓運算放大器中，由于電源電壓的降低，信號的動態(tài)范圍減小，同時，噪聲信號幅度相對增大，放大器的信噪比降低。為了解決這些設計問題，帝奧微電子公司專門開發(fā)了幾款低功耗低噪聲運放來滿足這個市場需求。

2. 背景

隨著醫(yī)療電子設備產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，用于個人保健的移動手持式醫(yī)療電子設備也同樣在快速發(fā)展。不管是手持式除顫儀還是動態(tài)血糖監(jiān)視儀，設計這類產(chǎn)品都不是一件容易的事。選擇適當?shù)脑M足設計規(guī)范要求、盡可能降低成本、確保設計方案的功率、特別關(guān)注產(chǎn)品的實際大小等等，都是在產(chǎn)品設計過程中必須考慮的問題。同樣隨著國人安防安全意識的提高，煙霧探測設備進入千家萬戶，對低功耗（電池壽命長）靈敏度和可靠性高的消防產(chǎn)品設計提出了更高的要求。

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，實施適當?shù)男盘柗糯笳{(diào)理鏈路都是最重要的問題。在模擬前端電路中，運算放大器是最關(guān)鍵的單元，在這種電路中，一般選擇低噪聲，高精度，低功耗，低偏置電流的運算放大器。信號鏈的第一階一般使用高共模抑制比，低偏置電流（特別對紅外管傳感器），低噪聲的運放；第二級會選用低功耗，高精度，低噪聲的運算放大器。信號鏈下一階是良好的delta-sigma或逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。單周期濾波器設置及隨需轉(zhuǎn)換等特性簡化了ADC的設計要求，也提高了轉(zhuǎn)換速度，并提供了較大的源阻抗。利用適當?shù)牟季旨霸x擇，可將一個干凈、精確而有意義的信號輸入到系統(tǒng)微處理器/DSP中。

煙感結(jié)構(gòu)框圖

煙霧傳感器構(gòu)成的報警器，能及時報告火警。在煙霧傳感器中，安裝著一種對煙霧氣特別敏感的半導體材料，如氧化錫、氧化鋅等，因而亦稱它們?yōu)闅饷舨牧?。在有煙霧氣的環(huán)境中，當煙霧氣的濃度達到一定量值時，氣敏材料內(nèi)部的電阻值就會迅速下降。一旦煙霧氣消失，它們的電阻值又會恢復正常。另外一種煙霧檢測的方法是，利用紅外光線被煙霧遮擋而造成紅外接收測電流變化而報警的原理。光電方式又分前向散射與后向散射探測方式，傳感器安裝在光學迷宮里，沒有煙霧時傳感器接收不到或只接收到很微弱的光信號，經(jīng)過放大器放大，邏輯判斷電路不做報警處理，有煙霧進入迷宮時，光線照射到煙霧粒子上產(chǎn)生散射，傳感器接收到比較強的光信號，經(jīng)放大后，邏輯報警電路發(fā)出警報信號。在這些應用中，運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的應用

帝奧微電子為了滿足這些市場的需要，特開發(fā)了一款DIO2051/2052芯片來滿足客戶的需求。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，電阻負載是５Ｋ歐姆的條件下，輸出范圍可以達到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，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在血氧儀中的應用

帝奧微電子的DIO2052在血氧儀應用中，扮演了非常關(guān)鍵的角色。第一級用3個運放搭建成全差分模式作為信號的輸入級，提供了很高的共模抑制比，較寬的信號動態(tài)范圍，最重要的是省掉了昂貴的儀表運放。第二級用兩個運放作為信號放大和有源濾波器設計，具有良好的信噪比和低失調(diào)。在血氧儀的應用中，使客戶取得了非常高的性價比，提高了產(chǎn)品的競爭力和加快了上市時間。

光電式煙感DIO2052應用實例

在這個光電式煙霧感應器的設計中，設計師采用的DIO2052非常符合設計的要求。DIO2052具有極低的偏置電流（＜1pA），這樣可以保證遠小于紅外管的暗電流，提高了感應器的可靠性；DIO2052具有極低的功耗（＜18uA），使得簡易電池供電煙霧感應器可以長時間工作，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，保證了電路良好的性能和產(chǎn)品的可靠性，符合消防產(chǎn)品的設計理念。

4. 小結(jié)

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