原创医疗电子之脑：ADC浅析

 2020-7-16 14:26  44763 22 3 分类: 医疗电子

不同类型的医疗产品，血氧仪、血压计、红外体温计、呼吸机、核磁共振仪、超声仪、CT扫描仪等，每个产品内都有ADC芯片。ADC芯片好比人脑，能将各类传感器（好比手眼口鼻）感知和采集的电气信号转化成数字信号。例如TI官网展示的CPAP呼吸机参考方案推荐使用其精密ADC芯片ADS1113。

图1 CPAP 呼吸机之TI ADC（PN：ADS1113）

ADC何许芯也？ADC全称是Analog-to-Digital Converter，指模数转换器或者模拟数字转换器，主要功能是把连续变量的模拟信号转换为离散的数字信号。不同的技术原理对应有不同类型，例如SAR（Successive approximation register）逐次逼近型ADC、Σ-Δ Sigma-Delta ADC（Δ-Σ Delta–Sigma ADC）、Pipeline流水线ADC以及混合架构ADC等类型。采样速率越高产品越高端。

图2 ADC芯片常见分类

ADC除了有应用于CPAP呼吸机；AMS的AS5900也是一款ADC，应用于CT扫描仪，其低噪声，26位高分辨率、128通道的特性，使产品具有更优质、更清晰的医疗成像。而ADI的18位PulSAR ADC AD7960、16位双通道AD9269和14位16通道AD9249流水线ADC可应用于数字射线照相 (DR)设备，使设备SNR水平达到70 dB至100 dB，具有更高的动态范围、更精细的分辨率、更高的检测效率和更低的噪声，得到更好的解剖学特征人体成像。

图3 ADI AD9269功能框图

额温枪供不应求时，电子圈内曾有过12位ADC芯片能否适用额温枪的探讨。经资深电子工程师验证，12位SAR ADC + 高精度漂移运放和16/24位Sigma-delta ADC + PGA增益两种设计方案均可符合产品要求。

1，额温枪温度测量精度要求综合分析过10种常见的红外热电堆传感器：温度每1℃的变化传感器电压信号变化约为70~140μV，若采用常用的220倍高精度漂移运放则每1℃采样源数据为15.4~30.8mV。12位ADC的有效位可达到10.5 位，当参考电压为2.048V时，其分辨率为0.5mV，有效分辨率约为1.41 mV，换算为有效分辨的温度为0.046~0.092℃（据“有效分辨电压计算公式”得出）。满足国家标准《GB-T 21417.1-2008 医用红外体温计》中规定的±0.3℃测量精度的要求。

图4 有效分辨电压计算公式

2、额温枪温度测量范围要求通过上述数据进一步计算，当参考电压是2.048V时，可转换电压范围是0~2.048V，对应热电堆输出信号范围0~9.31mV。经折算可测量温度最小量程66℃，最大量程132℃。若设置37℃为量程中点，则可测温度范围最小为3~70℃，最大为-30~103℃。满足国家标准《GB-T 21417.1-2008 医用红外体温计》中规定的35℃~42℃测量范围的要求。

ADC分属模拟芯片，技术难度比数字芯片高。中高端模拟芯片，利润率甚至能超过70%，但受制于工艺水平和先进技术的积累，国内原厂与国际品牌相差甚远。以下IC Insights的数据表明，全球前十模拟IC品牌占据了58%的市场，尚未有中国品牌挤进排名。而且在军工、航空航天、通信、工业和医疗等对工艺、性能、可靠性要求高的领域，所需的高端ADC，美国就执行严格的出口管控措施，甚至完全对中国禁运。

图5 模拟芯片品牌Top 10

ADC领域，有以下常见国产品牌：

1、上海贝岭股份有限公司

贝岭（BELLING）已推出的高速模数转换器（高速ADC），该系列产品包括双通道高中频ADC (80MSPS -125MSPS)、四通道高频ADC(125MSPS)。

2、芯海科技（深圳）股份有限公司

芯海（CHIPSEA）专注于信号链芯片设计，推出的高精度ADC和高性能模拟前端AFE芯片已广泛应用于智慧健康、智慧家居感知、工业测量等领域。

3、思瑞浦微电子科技（苏州）股份有限公司

思瑞浦（3PEAK）聚焦高性能模拟芯片设计，信号链模拟芯片和电源管理模拟芯片领域产品被广泛应用于信息通讯、工业控制、监控安全、医疗健康、仪器仪表和家用电器等多种领域。

4、杭州瑞盟科技有限公司

瑞盟（RM）专注于高性能模拟集成电路和数模混合集成电路设计，已形成高性能运算放大器、ADC、DAC、接口、马达驱动、HALL传感器等系列产品，广泛应用于安防、工业控制、三表（热表、电表、水表、气表）、车载信息娱乐系统、医疗以及消费电子。

5、深圳芯易德科技有限公司

芯易德（XINYIDE）自主研发的高分辨率低电压ADC和集成ADC的单片机能广泛应用到各类微弱信号测量产品中，如：电子秤、数字压力传感器、血压计等。

6、杭州晶华微电子有限公司

晶华（SDIC）的通用模拟集成电路及系列专用SoC产品已广泛应用于红外测温领域、智能可穿戴设备、各种消费类电子产品及工业控制、测试测量仪器仪表、传感器信号处理及物联网等众多领域。其中，高精度、低功耗的24Bits ADC + 8Bits MCU类SoC一直保持国内电子秤及红外测温枪市场领先地位，年销售芯片上亿颗。

7、北京时代民芯科技有限公司

时代民芯（MXTRONICS）以中、高端集成电路产品为主线，依托雄厚的航天资源和技术优势开展数字电路、模拟电路及混合信号电路的研发，产品已广泛应用卫星导航、通讯、计算机、汽车电子、消费类电子等领域。

8、深圳市天微电子股份有限公司

天微（TM）的数据转换器、LED/LCD显示驱动、射频(RF) IC、电源管理产品、其他类型传感器以及信号处理产品,广泛应用于诸如工业自动化、智能家居、物联网以及消费电子等市场。

9、芯佰微电子（北京）有限公司

芯佰（COREBAI）已经研发的主要产品为放大器、接口电路、电源管理，时间数字转换器、DAC数模转换、ADC模数转换等，广泛应用于手持移动终端、消费类电子产品、个人电脑及周边，网络、电信设备、医疗设备、办公设备、汽车电子及工业控制设备等领域。

10、苏州简约纳电子有限公司

简约纳（SIMPLIGHT）目前主要从事数字基带芯片和模拟芯片的研发设计，先后推出了GSM/GPRS基带芯片、商密芯片、LTE-CAT1物联网基带芯片、国家电网物联网基带芯片和高速高精度ADC/DAC芯片，涵盖了数字和模拟芯片军民两用市场。在模拟芯片领域，简约纳研发了高速高精度国产模拟数字转转芯片(ADC)，全部产品均为正向研发，拥有全部知识产权，产品性能比肩国际领先水平。

相信假以时日，中国的ADC芯片也能实现自给自足。以上绝大部分国货在拍明芯城均有销售，我们会一如既往的引进更多的优质国产品牌，为电子工程师提供更为丰富的产品/方案信息和物美价廉的元器件，助力国产替代。

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