為便攜醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)卓越的信號(hào)路徑

　　致力于開(kāi)發(fā)醫(yī)療診斷設(shè)備的公司面臨的挑戰(zhàn)就是要為消費(fèi)者提供物美價(jià)廉的產(chǎn)品。在降低醫(yī)護(hù)成本和改善病人護(hù)理服務(wù)方面，最重要的是能縮小這些醫(yī)療設(shè)備的體積并提高其精確度。在人口老化問(wèn)題日趨嚴(yán)重的今天，上述需求顯得更為迫切。根據(jù)IMS調(diào)查公司的InMedica報(bào)告，消費(fèi)類醫(yī)療設(shè)備的銷售總額到2011年時(shí)預(yù)計(jì)可超過(guò)50億美元。

　　醫(yī)療設(shè)備監(jiān)護(hù)功能的開(kāi)發(fā)與不斷完善，遠(yuǎn)程護(hù)理供應(yīng)商能夠在人類健康的幾個(gè)重要領(lǐng)域?yàn)榫蛹一颊?、急癥室救護(hù)員以至醫(yī)院提供更佳的診斷工具。血壓計(jì)血糖儀、除顫器等監(jiān)護(hù)類儀器均需要清晰的模擬信號(hào)來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，否則便可能危及生命。設(shè)計(jì)卓越的模擬信號(hào)路徑可幫助設(shè)計(jì)人員降低外來(lái)噪聲的干擾、擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍和加強(qiáng)精確度。此外，在組件選擇方面，設(shè)計(jì)人員也必須謹(jǐn)慎選擇以滿足最終產(chǎn)品的性能需求。

小封裝中的高性能需求

　　此前，人們通常認(rèn)為醫(yī)院和診所的醫(yī)療設(shè)備比家居使用的便攜儀器更為精確?？墒牵碌募夹g(shù)趨勢(shì)正迅速扭轉(zhuǎn)著上述的觀點(diǎn)。新的便攜式醫(yī)療設(shè)備面的使用者不僅僅有普通消費(fèi)者，還有深具科技領(lǐng)悟力的病人，因此客戶的需要不再局限于量體溫、做心電圖和測(cè)血壓?？蛻粜枰氖侨轿坏淖o(hù)理及測(cè)量功能。

　　為了滿足人們對(duì)家居醫(yī)療診斷儀器的迫切需求，設(shè)備供應(yīng)商正憑借先進(jìn)的貨存管理和創(chuàng)新設(shè)計(jì)來(lái)增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，并為產(chǎn)品配備更多的功能來(lái)爭(zhēng)取更多的用戶。在開(kāi)發(fā)家居醫(yī)療儀器的領(lǐng)域，有一個(gè)因素是非常重要的，這就是產(chǎn)品從最初設(shè)計(jì)到真正投放市場(chǎng)期間所需的開(kāi)發(fā)時(shí)間?？s短上市時(shí)間，可以讓廠商的產(chǎn)品搶占市場(chǎng)。而能否將開(kāi)發(fā)周期縮短取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)是否足夠靈活并具成本效益。

工藝技術(shù)影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　雖然電氣規(guī)格是設(shè)計(jì)人員選擇組件的主要因素，但用來(lái)制造集成電路的工藝也同樣重要。例如，典型的血糖計(jì)通常需配合一個(gè)帶有極低輸入偏置電流的運(yùn)算放大器，大多數(shù)的設(shè)計(jì)人員都會(huì)選用JFET放大器。不過(guò)，他們?cè)谧鞒鰶Q定前應(yīng)先考慮一下溫度的問(wèn)題。
由于JFET擁有一個(gè)很低的初始輸入偏置，因此它很易受到溫度變化的影響，每上升10°C ，輸入偏置便會(huì)大約增加一倍。要計(jì)算出輸入偏置的漂移，可使用下列的數(shù)式(參考1)。

Ib(T)Ib(T0) x 2(T-T0)/10

　　例如，一個(gè)JFET輸入運(yùn)算放大器(例如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LF411)在25 °C下的輸入偏置電流為50pA，而一個(gè)更佳的選擇是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LMP7731，它是一款雙極輸入運(yùn)算放大器，其輸入偏置電流為1.5nA。通過(guò)上述數(shù)式，我們可以很快地計(jì)算出在85°C下，LF411的輸入偏置電流變成3.2nA，超出LMP7731的兩倍。

評(píng)估系統(tǒng)的取舍

　　速度、噪聲和功耗對(duì)于某些設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)可能同樣重要，一個(gè)低噪聲器件會(huì)消耗比較多的電流，而一個(gè)低功耗的器件則只可提供有限的帶寬。一個(gè)克服這些問(wèn)題的方法是在適當(dāng)?shù)膽?yīng)用中使用反補(bǔ)償放大器。與單位增益穩(wěn)定和速度較高這兩點(diǎn)相比，反補(bǔ)償放大器的優(yōu)點(diǎn)除了成本比較低之外，是其可在不影響功耗的情況下提供較大的帶寬。

　　反補(bǔ)償運(yùn)算放大器最適合使用在電流-電壓轉(zhuǎn)換(跨阻)電路。在醫(yī)療儀器中，其中一個(gè)最普遍的應(yīng)用是測(cè)量血細(xì)胞中的含氧量，稱為SPO2或飽和或外圍氧氣。圖1所示為SPO2模塊的框圖，當(dāng)中的反補(bǔ)償放大器(TIA)用來(lái)將來(lái)自光二極管的電流轉(zhuǎn)化成電壓。

圖1   SPO2模塊的典型框圖

利用捷徑縮短設(shè)計(jì)時(shí)間

　　醫(yī)療儀器的最重要參數(shù)是噪聲，它可以導(dǎo)致電路本身和附近的設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。計(jì)算噪聲是一項(xiàng)比較沉悶的工作，尤其當(dāng)您想計(jì)算出從電源、放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以至外部組件，信號(hào)路徑對(duì)信噪比的整體影響。

　　一般來(lái)說(shuō)，醫(yī)療儀器電路都傾向采用較低的頻率來(lái)工作，因此這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員通常會(huì)比較關(guān)心處于0.1到10Hz頻帶以內(nèi)的噪聲，也稱為峰到峰噪聲。但不幸地是，有些數(shù)據(jù)表并沒(méi)有提供時(shí)域噪聲(峰到峰)的數(shù)值，而只會(huì)提供電壓或電流噪聲密度的典型圖表。除了等待電路的供應(yīng)商提供測(cè)量數(shù)據(jù)外，有一個(gè)快速的方法可幫助推算出峰到峰的噪聲量。

　　假設(shè)您打算利用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LMP7731來(lái)推算峰到峰(0.1到10Hz)電壓的噪聲量，首先，在指定頻帶內(nèi)的頻率范圍中選擇出一個(gè)點(diǎn)，例如是1Hz，那對(duì)比曲線時(shí)的數(shù)值便是5.1nV/√Hz (圖2)，然后用下列的數(shù)式來(lái)計(jì)算噪聲的根均方值(RMS)：

　　式 1: enrms=enf√ln(10/0.1),  當(dāng)中 enf 是在 1Hz 下的噪聲

圖 2   LMP7731的輸入電壓噪聲與頻率的關(guān)系頻率、電壓噪聲

　　通過(guò)以上的數(shù)式可得出10.9nV的總根均方值噪聲，如要計(jì)算出峰到峰噪聲，只需將這根均方值乘以6.6，這樣便可得出72.2nV。這個(gè)估算的結(jié)果相當(dāng)不錯(cuò)，它與數(shù)據(jù)表中列出的規(guī)格78nV很接近。

　　假如數(shù)據(jù)表中的電壓噪聲密度圖沒(méi)有表示在1Hz下的噪聲值，那您可以使用下列簡(jiǎn)單的方程式(數(shù)式2)來(lái)推算某頻率下的數(shù)值。

　　式2：en=enb*√(fce/f)

　　當(dāng)中enb是寬帶噪聲(通常是在1kHz時(shí)的數(shù)值)，而fce 是1/f拐點(diǎn)，至于f是所關(guān)注的頻率，在我們的個(gè)案是1Hz。

　　舉一個(gè)例子，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LMV851在10kHz下的寬帶噪聲為10nV/√Hz。為了計(jì)算出根均方值噪聲，首先要從圖表決定出1/f拐點(diǎn)(fce)的數(shù)值。使用數(shù)據(jù)表中的電壓噪聲密度圖，這樣便可找到fce大約等于300Hz。之后，使用以上的數(shù)式便可計(jì)算出en=10*√(300/1)=173nV√Hz，而這便是在1Hz下的電壓噪聲，最后將這數(shù)值代入數(shù)式1中并將結(jié)果乘以6.6，便可得出2.4μV的峰到峰噪聲量。

　　另一個(gè)需要考慮的是電流噪聲。一般來(lái)說(shuō)，假如電源的阻抗不是很大(>100kΩ)，您可以不考慮電流噪聲，仍然可獲得一個(gè)很接近的推算結(jié)果，就正如上述的例子一樣?？墒?，假如電源的阻抗很大，那必須使用相同的技巧來(lái)推算電流噪聲，并且將電壓和電流噪聲以根均方值的形式相加。

決定速度的要求

　　正如運(yùn)算放大器的噪聲對(duì)于ADC的分辨率來(lái)說(shuō)極為重要一樣，帶寬對(duì)維持系統(tǒng)的精確度也同樣重要。為了將誤差限制在1/2個(gè)最低有效位(LSB)，就需要進(jìn)行一個(gè)快速的檢查以決定放大器的帶寬是否足夠。除了使用復(fù)雜和泛味的引導(dǎo)外，您還可以使用模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率來(lái)迅速推算出結(jié)果。方法是使用1/2(N/2)并且將結(jié)果乘以-3dB時(shí)的放大器頻率 (參考2)。

　　通過(guò)以上的捷徑和一個(gè)14位的ADC，這個(gè)例子得出feff= 0.007813*f-3dB。對(duì)于圖3中可配置增益為10的運(yùn)算放大器(LMP7711來(lái)說(shuō))，在-3dB時(shí)的頻率為1.7MHz。這樣，最大帶寬(處于1/2個(gè)LSB誤差)便等于0.007813*1.7E6=13.3kHz。

圖 3   便攜心電圖儀的框圖

監(jiān)視器件和通信器件

　　大多數(shù)較新的醫(yī)療診斷儀器都設(shè)有無(wú)線通信功能。現(xiàn)代的心電圖儀(EKG或ECG)都可通過(guò)個(gè)人電子手帳(PDA)或其他的電腦外圍設(shè)備把病人的數(shù)據(jù)于數(shù)分鐘內(nèi)傳送到醫(yī)生診所或醫(yī)院。撇開(kāi)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸所帶來(lái)的好處，這類設(shè)備可能會(huì)對(duì)醫(yī)療器件構(gòu)成嚴(yán)重的干擾，使其讀數(shù)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

　　為了避免這種干擾，就必須采用濾波器?？墒?，加入濾波器不單會(huì)增大設(shè)備的體積，而且還會(huì)增加設(shè)計(jì)的成本。一個(gè)更加節(jié)約成本和快捷的方法是使用可以抑制無(wú)線電頻率(RF)噪聲的組件(包括濾波器)。

結(jié)語(yǔ)

　　現(xiàn)今醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的趨勢(shì)是為消費(fèi)者提供更高價(jià)值的產(chǎn)品，即價(jià)廉物美且能夠迅速提供診斷結(jié)果的家居護(hù)理儀器。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，將會(huì)有更多的醫(yī)療設(shè)備通過(guò)電腦把數(shù)據(jù)即時(shí)地從病人的居所傳送到醫(yī)生診所。此外，隨著用戶對(duì)更多功能的需求，對(duì)便攜醫(yī)療設(shè)備的精度要求將進(jìn)一步提高以達(dá)到更準(zhǔn)確的診斷，而這些都將依靠設(shè)計(jì)人員不斷的創(chuàng)新、長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)和對(duì)全面解決方案所作出的承諾。

參考文獻(xiàn)：

1. Sergio Franco, Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits, (New York: McGraw-Hill, 1998)
2. Walter Bacharowski, “Decompensating amplifiers improve performance,” Electronic Design News (EDN), December 3, 2007