現(xiàn)今的醫(yī)療便攜設(shè)備方便病人自行診療、自由走動(dòng)，甚至可在外出時(shí)使用設(shè)備。便攜式電子醫(yī)療設(shè)備要實(shí)現(xiàn)“方便攜帶”的特色功能，就必須具備微型化和低功耗的特性。

　　此外，這些設(shè)備還要有極高的精度以確保病人的安全。醫(yī)療設(shè)備采用多種不同的傳感器來(lái)監(jiān)視病人的健康狀況，然后傳感器將生理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)供電子設(shè)備分析使用。由于醫(yī)療設(shè)備中傳輸?shù)男盘?hào)都比較微弱，而且還會(huì)受到諸多噪聲源的干擾，因此信號(hào)路徑設(shè)計(jì)對(duì)便攜式醫(yī)療設(shè)備就顯得格外重要了。本文將針對(duì)心電圖機(jī)和血糖測(cè)量?jī)x這兩種設(shè)備應(yīng)用，討論如何將傳感器與匹配的PowerWise放大器相連接，以便延長(zhǎng)電池壽命和提高診療安全性。

　　心電圖機(jī)的操作原理

　　心電圖機(jī)（ECG）可實(shí)時(shí)記錄病人的心跳活動(dòng)。心跳信號(hào)是通過(guò)三個(gè)連接到病人身體的電極測(cè)量出來(lái)。圖1所示為其中一個(gè)電極輸出的ECG信號(hào)，圖中包含有五個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別是Q、P、R、S、和T，這些測(cè)量點(diǎn)可用來(lái)診斷病人患上心臟病的可能性。

從電極收集回來(lái)的信號(hào)處于在400μV到最高5mV的范圍內(nèi)，并在0.05Hz 和100Hz 下帶有3dB轉(zhuǎn)角頻率。這類信號(hào)一般都會(huì)受到不少的干擾，例如電極的接觸噪聲、電源線路噪聲（50MHz）、呼吸、肌肉活動(dòng)、以及來(lái)自其他電子器件的干擾。

　　ECG的信號(hào)調(diào)整

　　正如上述所說(shuō)，ECG的信號(hào)路徑必須能調(diào)理不同來(lái)源的噪聲。對(duì)抗直流電噪聲，可以使用高通濾波器。然而，最令人頭痛的是50Hz的噪聲，因?yàn)樗鼊偤门c我們收集的信號(hào)頻率處于相同范圍。要消除這個(gè)共模噪聲，需要建立一個(gè)測(cè)量儀表放大器。這個(gè)配置之所以很理想是因?yàn)樗稍谝种乒材ｋ妷旱耐瑫r(shí)放大有用的差分信號(hào)，這利于把微弱的有效信號(hào)從背景噪聲中分隔出來(lái)。正如圖2所示，這個(gè)儀表放大器是用LMP2234（四通道、微功率、高精度的RRO運(yùn)算放大器）和高精度的電阻器（0.1%）實(shí)現(xiàn)出來(lái)。

A1， A2， A3， A4： LMP2234

　　R1， R2： 2 MΩ

　　R3， R5： 40 kΩ

　　R4： 20 kΩ

　　R6， R7： 10 kΩ

　　R8， R9： 10 kΩ

　　R10， R11： 20 Kω

　　LMP2234 是用VIP50工藝技術(shù)制成，即絕緣硅BiCMOS工藝。用這種工藝制作出來(lái)的超低功耗放大器非常適合電池供電的低功耗應(yīng)用。該工藝具有1.8到5.5V 的操作電壓范圍和36μA的靜態(tài)電流，利于延長(zhǎng)便攜系統(tǒng)中電池的壽命。LMP2234是LMP高精度放大器家族的成員，其高阻抗CMOS輸入使它成為測(cè)量?jī)x表和其他傳感器接口應(yīng)用的理想選擇。

　　由于來(lái)自電極的信號(hào)幅度極低，放大器的直流參數(shù)便顯得很重要。LMP2234的最高偏移電壓為 150V（典型值為10 V），而偏移電壓漂移溫度系數(shù)和偏置電流分別僅為0.3 μV/℃和±20 fA。這些高精度的嚴(yán)格規(guī)格使LMP2334在維持系統(tǒng)常精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面有相當(dāng)出色的表現(xiàn)。

　　這個(gè)測(cè)量?jī)x表放大器包含有兩個(gè)級(jí)。最后一個(gè)級(jí)（亦即輸出級(jí)）是一個(gè)差分放大器，它能夠拒絕直流電平以及同時(shí)影響兩個(gè)輸入的干擾和噪聲電壓源。由兩個(gè)放大器組成的第一級(jí)（亦即是輸入級(jí)）則被配置成一個(gè)可將輸入隔離的緩沖器。可是，基于放大器間的失配使它們彼此不能相互連接，所以要在兩個(gè)放大器之間加裝平衡電阻。將兩個(gè)級(jí)的增益相乘便可得出測(cè)量?jī)x表放大器的增益。理論上，共模抑制比（CMPR）應(yīng)該是無(wú)限大，但由于出現(xiàn)電阻失配，導(dǎo)致輸出級(jí)的非零共模增益非常小。在電路的輸入級(jí)中，流經(jīng)所有電阻的電流是一樣的。這都有賴于LMP2234具有高輸入阻抗和低輸入偏置電流的特點(diǎn)。

　　輸出電壓被定義成：

輸入信號(hào)的最大幅度僅為5mV，但為了建立增益，我們必須考慮到電極的直流偏移電壓，它有時(shí)甚至可高至±300mV。LMP2234的軌到軌輸出可從電源電壓軌搖擺至15mV，從而增加了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。此外，由R10和R11組成的偏置分壓器可提供一個(gè)電壓，該電壓恰好等于正確診段病人體征所需電源電壓的一半。

　　正如圖3所示，會(huì)采用一個(gè)高通濾波器來(lái)抑制能夠引致下一個(gè)增益級(jí)飽和的直流器件。這個(gè)高通濾波器的截止頻率為0.5Hz。該濾波器采用二階Sallen Key型的 Butterworth 拓?fù)浼夹g(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。至于第二級(jí)是一個(gè)低通濾波器，其擁有100Hz的截止頻率和100的增益，并且同樣以Sallen Key 拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)。諸Sallen Key 類的模擬濾波器是圍繞著有電阻器和電容器的運(yùn)算放大器而建立。當(dāng)中沒(méi)有采用電感器是因?yàn)樗w積過(guò)大、笨重和不夠完美。

　　
??????? C1： 1 μF R3： 5.36 kΩ

　　C2： 220 nF R4： 14.3 kΩ

　　R1： 1.24 MΩ C3： 33 nF

　　R2： 365 kΩ C4： 1 μF

　　R5： 10 kΩ

　　R6： 1 MΩ

　　兩個(gè)濾波器都是采用低功耗的運(yùn)算放大器LMV552來(lái)實(shí)現(xiàn)，而這款放大器是采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體VIP50工藝制成。擁有3MHz的帶寬，同時(shí)每個(gè)放大器僅需消耗34μA的電流，帶寬/功耗比是同級(jí)運(yùn)算放大器中最高的。LMV552擁有一個(gè)軌到軌輸出級(jí)和一個(gè)擴(kuò)展到接地以下的輸入共模范圍，操作電源電壓范圍是 2.7V到5.5V。

　　用電池操作的系統(tǒng)需要一個(gè)直流/直流升壓來(lái)提供信號(hào)路徑所需的3.3V電壓。LM2623是一款高效率的通用式升壓直流-直流開關(guān)穩(wěn)壓器，專門應(yīng)用于采用電池供電的低輸入電壓系統(tǒng)。這款穩(wěn)壓器可接受8V到14V的輸入電壓并把它們轉(zhuǎn)換成1.24V到14V的穩(wěn)定輸出電壓。配合LM2623，系統(tǒng)的效率可高達(dá)90%。

　　假如系統(tǒng)要求有病人安全性隔離，可通過(guò)采用伽伐尼隔離（galvanic isolation）、光電耦合電容和磁耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文雖然著重討論ECG的前端，但在開發(fā)醫(yī)療電子系統(tǒng)時(shí)，安全標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題不容忽視。

　　藍(lán)牙傳輸

　　心跳的記錄可以用無(wú)線傳送到電腦、移動(dòng)電話或PDA中。藍(lán)牙技術(shù)穩(wěn)定可靠、簡(jiǎn)單易用，成本經(jīng)濟(jì)，而且覆蓋范圍廣，因此在病人監(jiān)視方面成為普遍采用的無(wú)線技術(shù)。

　　美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LMX9838藍(lán)牙串行端口模塊是一款高度集成的器件，當(dāng)中包含有藍(lán)牙2.0基帶控制器、2.4GHz的無(wú)線電機(jī)、晶體、天線、LDO和分立元件。該藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)功能完整，而且體積小巧（10 mm x 17 mm x 2.0 mm）。

　　在這個(gè)完整的方案中包括硬件和軟件，適用于具有完整的高低藍(lán)牙堆疊層的天線、通用存取規(guī)范（GAP）、服務(wù)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用規(guī)范（SDAP）和串行端口規(guī)范 （SPP）等的應(yīng)用。該模塊包含有一個(gè)可配置的服務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)以便迎合主控上的附加服務(wù)規(guī)范要求。此外，LMX9838通過(guò)了藍(lán)牙終端產(chǎn)品認(rèn)證，無(wú)需再通過(guò)任何測(cè)試或支付技術(shù)牌照費(fèi)就可以直接使用到最終應(yīng)用上。

　　基于美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的CompactRISC 16位處理器架構(gòu)和數(shù)字智能無(wú)線電技術(shù)，LMX9838作為一個(gè)優(yōu)化解決方案可以完全滿足藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)所需的數(shù)據(jù)處理和鏈路管理要求。