超小型模数转换器提升低功耗的医疗应用

目前医疗设备的发展正在彻底变革家庭医疗保健市场，人们无需离开家门就能诊断出各种健康状况。技术的发展使得便携式自助护理保健系统成为现实，这些系统可以帮助人们监视诸如血压、血糖和体温等重要指标。

 

家庭医疗监察和监视系统可以帮助人们掌控自己的健康状况，但是这些医疗设备必须快速和高效率，并能在最重要的时候保证工作。随着便携式医疗传感器的发展，更长电池寿命和更小外形尺寸的需求对非组织入侵式护理来说变得愈加关键。

 

医疗测量设备一般需要整合多种信号调节电路，包括放大器、滤波、参考源和模数转换器(ADC)等，才能分辨和识别传感器信号。除了小尺寸外，读取传感器输出的模拟电路要求低功率工作也很重要，这样才能提供更长的电池寿命和更多的读取次数。随着更小更快的模拟IC的上市，通过墙上插座供电的小型、低功率医疗设备也变得越来越流行。

 

要求小尺寸和低功耗解决方案的医疗设备例子包括血液分析系统、脉搏血氧计、数字X射线和数字体温计等等。

 

 

有些医疗测量需要模拟电路连续运行，并且每秒要取得数千甚至数百万个读数。而有的应用每天仅需要读取一次。就这些偶然性测试而言，模拟电路仅需加一次电进行测量，然后在一天的剩余时间中一直处于空闲状态，此时可令其进入低功率“休眠”模式。

 

模拟IC的选择取决于传感器读数的频繁程度。模拟电路的核心是将来自传感器的模拟读数最终转换成数字结果的ADC，数字结果可储存在存储器中或显示在屏幕上。就大多数便携式医疗传感器应用而言，数据转换器的最佳选择将是逐次逼近型寄存器(SAR)ADC。

 

选择这类ADC有很多理由。首先，SAR ADC非常适用于测量从零赫兹 (稳定状态) 直到几兆赫兹的信号。这些ADC还具有快速响应和低延迟性能，是测量单个输入或多个输入的理想选择。另一个关键因素是功率。与闪存或管线型ADC不同的是，SAR ADC的功耗将随采样率的变化而改变。因此，以每秒1万次采样(10ksps)运行的ADC所需的功耗将低于以100ksps运行的功耗，而且功率节省非常显著。例如，一个以每秒几百万次采样(Msps)速度转换数据的SAR ADC可能消耗几毫安电流，而相同的SAR ADC以1ksps或更低采样率运行时可能仅消耗几十微安电流。

 

 

脉搏血氧计就是受益于SAR ADC为核心的一个医疗应用例子。这种设备用于测量与病人血液中的血红蛋白相当的血氧含量。脉搏血氧计检测动脉中的血液脉动，因此还能计算病人的心律。一对发光二极管(LED)通过病人身体的半透明部分(通常是指尖)对着一个光电二极管。一个光发射器用660nm的波长触发一个红色LED，同时用940nm的波长触发一个红外线LED。光电二极管接收这两个信号，并将光致电流转换成电压。然后由ADC测量这个电压，从而在光通过病人身体后基于每种波长光的吸收率读出血氧百分数(参见图 1)。接下来通常是跨过一个隔离装置将数字数据发送到数据采集系统进行储存或在监视器上显示。

 

图1所示的凌力尔特公司LT6202放大器提供了增益带宽(100MHz)和低压噪声(1.9nV/Hz)的良好组合，同时仅消耗2.5mA电流。它还具有0.75pA/Hz的低电流噪声，在小信号应用中具有超低的总体噪声和失真功率。这个放大器规定用3V、5V和±5V电源工作。

 

 

图1：超小型ADC在脉搏血氧计中的应用。

 

采样LT6202输出的是一个12位3Msps SAR ADC。LTC2366是采样率从100ksps到3Msps、引脚和软件完全兼容的微型ADC系列成员。这个系列的ADC在3Msps时仅消耗7.8mW功率，在100ksps时为1.5mW，在休眠模式时仅为0.3μW。LTC2366的特点是没有数据通过延迟，因此在同一时钟周期内即可获得采样数据。该器件通过一个3线 SPI/Microwire 兼容接口提供采样结果。

 

LTC2366采用ThinSOT 6引脚或8引脚封装(8.1mm2)，有助于脉搏血氧计的总体解决方案尺寸保持最小。在3Msps时，它具有足够富裕的采样带宽，能够通过放大器和光电二极管电流正确地采样电压。LTC2366在单3V 电源下工作，可由单节锂离子电池、多节AA电池或者希望以低功率运行的墙上供电系统供电。

 

LTC236x系列共有5 种ADC，包括3Msps的LTC2366、1Msps的LTC2365、500ksps的LTC2362、250ksps的LTC2361和100ksps的LTC2360。上述采样率都是每个ADC的最高采样率。对于不需要以3Msps运行的应用而言，每个LTC236x ADC 可在更低的采样率下进一步节省功率。图2详细描述了3个较低速版本ADC的电源电流与采样率的关系。基于SAR ADC本身内核设计的原因，随着采样率的减小，功耗将迅速下降。

 

 

图2：LTC236x ADC功耗随着采样率减小而迅速降低。

 

数字 X 射线成像

 

另一种需要快速ADC的医疗应用实例是数字X射线成像，包括牙科X射线、计算机控制轴向X射线断层摄影术(CAT扫描) 或用于全身扫描的医用核磁共振成像等。X射线设备制造商现在不是将图像储存在一张胶片上，而是以数字方式储存数据。医生的办公室或医院不再是在文件柜中储存成千上万张胶片，而是可以非常容易地将结果储存到存储器中，并可迅速查阅病人的病历。

 

采用数字X射线成像的第二个积极作用是能够给患者带来舒适感。随着更快的ADC、传感器和信号调节模块的出现，检查病人酸痛的牙齿或断裂的骨头可以快得多，这意味着病人需要保持不动的时间短得多。有了更快的X射线检查过程，医生办公室或医院还可以在同样的时间内看更多的病人。

 

数字X射线一般需要至少12位分辨率和1Msps或更高采样率的ADC。这种ADC必须有高于或等于刷新率乘以阵列大小所得数值的采样率。这种应用一般需要多个ADC以分辨来自闪烁体的所有光电二极管或CMOS成像电流。一组光电二极管、放大器和ADC用来对整个阵列采样，如图3所示。当多个ADC放置在一个空间受限的区域内时，有一个具有快速串行数据通信功能的低功率SAR ADC至关重要。基于73dB信噪比和零数据延迟的LTC2366(3Msps)和LTC2365(1Msps)就非常适合数字 X 射线成像使用。

 

 

图3：X 射线成像设备原理示意图。

 

LTC2366的低功率(3Msps时为7.8mW)意味着，设计师可以使用多个紧密相邻的 ADC，而不会使系统变热或者干扰读数或病人。管线型 ADC 在相同采样率时可能消耗 10倍的功率。

 

数字体温计

 

数字体温计是另一个可在家庭或医院用于病人护理的小型且价格不贵的设备。它们允许通过测量耳膜或放在腋下快速检查病人体温。检测温度并将其转换成数字读数的模拟电路可以相当简单。这种应用常常会用到热敏电阻，即一个随温度变化而改变的电阻，因为它对人体温度具有最高的灵敏度。

 

LTC2450-1是一个有点儿像SAR ADC的16位delta sigma型ADC，其功率也随采样率变化而变化。这种类型的delta sigma ADC非常适合某些医疗应用。例如，LTC2450-1可直接连接到一个热敏电阻上(如图4所示)，提供精确的数字温度读数。在这个例子中，一个固定的10kΩ电阻与一个取决于温度并在1kΩ和10kΩ之间变化的热敏电阻串联，允许该ADC测量宽模拟输入范围。LTC2450-1的输入架构允许它测量高阻抗传感器，因此可以旁路掉一个放大器。电阻网络与去耦电容器可直接连接到模拟输入端。

 

 

图4：低休眠电流的LTC2450-1 ADC非常适用于由电池供电的数字体温计。

 

LTC2450-1提供极低的电源电流(随温度变化保证最大值为 0.5μA)，使它非常适合用单节电池工作的数字体温计。大多数家用数字体温计都会放在抽屉里，以休眠电流工作，仅偶尔需要加电一次。

 

LTC2450-1提供每秒60个采样的输出速率，这对数字体温计测量而言足够用了。它采用2mmx2mm封装，通过SPI协议通信。小封装尺寸和直接与热敏电阻连接的能力使得总的模拟解决方案尺寸极小。对那些希望使用2线协议的设计师而言，也有单端和差分I2C 版本可用。

 

本文小结

 

全球人口在持续增加。美国的“婴儿潮”一代已经接近退休年龄。随着医疗设备在精确度、成本和简单性方面的不断改善，家庭医疗护理正在变得更加容易和更加便捷。正是从传感器到放大器和ADC的模拟信号链路在帮助推动这种转变。而更快速和更低功率的串行ADC将使医疗设备的精确度、速度和易用性得到进一步提高。