利用超小型ADC設計低功耗醫療設備方案

??? 目前醫療設備的發展正在徹底變革家庭醫療保健市場，人們無需離開家門就能診斷出各種健康狀況。技術的發展使得便攜式自助護理保健系統成為現實，這些系統可以幫助人們監視諸如血壓、血糖和體溫等重要指標。
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??? 家庭醫療監察和監視系統可以幫助人們掌控自己的健康狀況，但是這些醫療設備必須快速和高效率，并能在最重要的時候保證工作。隨著便攜式醫療傳感器的發展，更長電池壽命和更小外形尺寸的需求對非組織入侵式護理來說變得愈加關鍵。
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??? 醫療測量設備一般需要整合多種信號調節電路，包括放大器、濾波、參考源和模數轉換器(ADC)等，才能分辨和識別傳感器信號。除了小尺寸外，讀取傳感器輸出的模擬電路要求低功率工作也很重要，這樣才能提供更長的電池壽命和更多的讀取次數。隨著更小更快的模擬IC的上市，通過墻上插座供電的小型、低功率醫療設備也變得越來越流行。

??? 要求小尺寸和低功耗解決方案的醫療設備例子包括血液分析系統、脈搏血氧計、數字X射線和數字體溫計等等。
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??? 醫療測量使用的模擬電路
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??? 有些醫療測量需要模擬電路連續運行，并且每秒要取得數千甚至數百萬個讀數。而有的應用每天僅需要讀取一次。就這些偶然性測試而言，模擬電路僅需加一次電進行測量，然后在一天的剩余時間中一直處于空閑狀態，此時可令其進入低功率“休眠”模式。
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??? 模擬IC的選擇取決于傳感器讀數的頻繁程度。模擬電路的核心是將來自傳感器的模擬讀數最終轉換成數字結果的ADC，數字結果可儲存在存儲器中或顯示在屏幕上。就大多數便攜式醫療傳感器應用而言，數據轉換器的最佳選擇將是逐次逼近型寄存器(SAR)ADC。
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??? 選擇這類ADC有很多理由。首先，SAR ADC非常適用于測量從零赫茲 (穩定狀態) 直到幾兆赫茲的信號。這些ADC還具有快速響應和低延遲性能，是測量單個輸入或多個輸入的理想選擇。另一個關鍵因素是功率。與閃存或管線型ADC不同的是，SAR ADC的功耗將隨采樣率的變化而改變。因此，以每秒1萬次采樣(10ksps)運行的ADC所需的功耗將低于以100ksps運行的功耗，而且功率節省非常顯著。例如，一個以每秒幾百萬次采樣(Msps)速度轉換數據的SAR ADC可能消耗幾毫安電流，而相同的SAR ADC以1ksps或更低采樣率運行時可能僅消耗幾十微安電流。

?? 脈搏血氧計?
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??? 脈搏血氧計就是受益于SAR ADC為核心的一個醫療應用例子。這種設備用于測量與病人血液中的血紅蛋白相當的血氧含量。脈搏血氧計檢測動脈中的血液脈動，因此還能計算病人的心律。一對發光二極管(LED)通過病人身體的半透明部分(通常是指尖)對著一個光電二極管。一個光發射器用660nm的波長觸發一個紅色LED，同時用940nm的波長觸發一個紅外線LED。光電二極管接收這兩個信號，并將光致電流轉換成電壓。然后由ADC測量這個電壓，從而在光通過病人身體后基于每種波長光的吸收率讀出血氧百分數(參見圖 1)。接下來通常是跨過一個隔離裝置將數字數據發送到數據采集系統進行儲存或在監視器上顯示。

??? 圖1所示的凌力爾特公司LT6202放大器提供了增益帶寬(100MHz)和低壓噪聲(1.9nV/Hz)的良好組合，同時僅消耗2.5mA電流。它還具有0.75pA/Hz的低電流噪聲，在小信號應用中具有超低的總體噪聲和失真功率。這個放大器規定用3V、5V和±5V電源工作。
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??? 采樣LT6202輸出的是一個12位3Msps SAR ADC。LTC2366是采樣率從100ksps到3Msps、引腳和軟件完全兼容的微型ADC系列成員。這個系列的ADC在3Msps時僅消耗7.8mW功率，在100ksps時為1.5mW，在休眠模式時僅為0.3μW。LTC2366的特點是沒有數據通過延遲，因此在同一時鐘周期內即可獲得采樣數據。該器件通過一個3線 SPI/Microwire 兼容接口提供采樣結果。

??? LTC2366采用ThinSOT 6引腳或8引腳封裝(8.1mm2)，有助于脈搏血氧計的總體解決方案尺寸保持最小。在3Msps時，它具有足夠富裕的采樣帶寬，能夠通過放大器和光電二極管電流正確地采樣電壓。LTC2366在單3V 電源下工作，可由單節鋰離子電池、多節AA電池或者希望以低功率運行的墻上供電系統供電。

??? LTC236x系列共有5 種ADC，包括3Msps的LTC2366、1Msps的LTC2365、500ksps的LTC2362、250ksps的LTC2361和100ksps的LTC2360。上述采樣率都是每個ADC的最高采樣率。對于不需要以3Msps運行的應用而言，每個LTC236x ADC 可在更低的采樣率下進一步節省功率。圖2詳細描述了3個較低速版本ADC的電源電流與采樣率的關系。基于SAR ADC本身內核設計的原因，隨著采樣率的減小，功耗將迅速下降。
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??? 數字 X 射線成像

??? 另一種需要快速ADC的醫療應用實例是數字X射線成像，包括牙科X射線、計算機控制軸向X射線斷層攝影術(CAT掃描) 或用于全身掃描的醫用核磁共振成像等。X射線設備制造商現在不是將圖像儲存在一張膠片上，而是以數字方式儲存數據。醫生的辦公室或醫院不再是在文件柜中儲存成千上萬張膠片，而是可以非常容易地將結果儲存到存儲器中，并可迅速查閱病人的病歷。

??? 采用數字X射線成像的第二個積極作用是能夠給患者帶來舒適感。隨著更快的ADC、傳感器和信號調節模塊的出現，檢查病人酸痛的牙齒或斷裂的骨頭可以快得多，這意味著病人需要保持不動的時間短得多。有了更快的X射線檢查過程，醫生辦公室或醫院還可以在同樣的時間內看更多的病人。

??? 數字X射線一般需要至少12位分辨率和1Msps或更高采樣率的ADC。這種ADC必須有高于或等于刷新率乘以陣列大小所得數值的采樣率。這種應用一般需要多個ADC以分辨來自閃爍體的所有光電二極管或CMOS成像電流。一組光電二極管、放大器和ADC用來對整個陣列采樣，如圖3所示。當多個ADC放置在一個空間受限的區域內時，有一個具有快速串行數據通信功能的低功率SAR ADC至關重要。基于73dB信噪比和零數據延遲的LTC2366(3Msps)和LTC2365(1Msps)就非常適合數字 X 射線成像使用。

圖3：X 射線成像設備原理示意圖

??? LTC2366的低功率(3Msps時為7.8mW)意味著，設計師可以使用多個緊密相鄰的 ADC，而不會使系統變熱或者干擾讀數或病人。管線型 ADC 在相同采樣率時可能消耗 10倍的功率。

??? 數字體溫計

??? 數字體溫計是另一個可在家庭或醫院用于病人護理的小型且價格不貴的設備。它們允許通過測量耳膜或放在腋下快速檢查病人體溫。檢測溫度并將其轉換成數字讀數的模擬電路可以相當簡單。這種應用常常會用到熱敏電阻，即一個隨溫度變化而改變的電阻，因為它對人體溫度具有最高的靈敏度。

??? LTC2450-1是一個有點兒像SAR ADC的16位delta sigma型ADC，其功率也隨采樣率變化而變化。這種類型的delta sigma ADC非常適合某些醫療應用。例如，LTC2450-1可直接連接到一個熱敏電阻上(如圖4所示)，提供精確的數字溫度讀數。在這個例子中，一個固定的10kΩ電阻與一個取決于溫度并在1kΩ和10kΩ之間變化的熱敏電阻串聯，允許該ADC測量寬模擬輸入范圍。LTC2450-1的輸入架構允許它測量高阻抗傳感器，因此可以旁路掉一個放大器。電阻網絡與去耦電容器可直接連接到模擬輸入端。
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??? LTC2450-1提供極低的電源電流(隨溫度變化保證最大值為 0.5μA)，使它非常適合用單節電池工作的數字體溫計。大多數家用數字體溫計都會放在抽屜里，以休眠電流工作，僅偶爾需要加電一次。

??? LTC2450-1提供每秒60個采樣的輸出速率，這對數字體溫計測量而言足夠用了。它采用2mmx2mm封裝，通過SPI協議通信。小封裝尺寸和直接與熱敏電阻連接的能力使得總的模擬解決方案尺寸極小。對那些希望使用2線協議的設計師而言，也有單端和差分I2C 版本可用。

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