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