低壓運算放大器在醫療電子中的應用

　　1. 引言

　　近年來，以電池作為電源的電子產品得到廣泛使用，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正成為研究的熱點。從節約能源角度考慮，低的功率消耗不僅是電池驅動的便攜設備的需求，即便對使用市電的大型系統也是迫切需要，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

　　隨著醫療電子設備產業的快速發展，用于個人保健的移動手持式醫療電子設備也同樣在快速發展。不管是手持式除顫儀還是動態血糖監視儀，設計這類產品都不是一件容易的事。選擇適當的元件滿足設計規范要求、盡可能降低成本、確保設計方案的功率、特別關注產品的實際大小等等，都是在產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品設計提出了更高的要求。

　　血壓監視儀的結構框圖

　　不論是溫度、脈搏、血糖讀取或其它生物傳感器，實施適當的信號放大調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或逐次逼近模數轉換器(ADC)。單周期濾波器設置及隨需轉換等特性簡化了ADC的設計要求，也提高了轉換速度，并提供了較大的源阻抗。利用適當的布局及元件選擇，可將一個干凈、精確而有意義的信號輸入到系統微處理器/DSP中。

　　煙感結構框圖

　　煙霧傳感器構成的報警器，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，因而亦稱它們為氣敏材料。在有煙霧氣的環境中，當煙霧氣的濃度達到一定量值時，氣敏材料內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生散射，傳感器接收到比較強的光信號，經放大后，邏輯報警電路發出警報信號。在這些應用中，運算放大器是其中的關鍵器件，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