原创 医疗电子之神经末梢：运放浅析

血压计、血氧仪、肺活量计、心率监测器、呼吸机、监护仪、红外体温计等医疗产品，在对人体的生理模拟信号予以测量、监控或显示过程中，初始信号往往异常微弱，需要进行放大、过滤处理，运算放大器就是发挥这个重要作用的。而传感器（感官）+运算放大器（神经末梢）+ADC（脑）+处理器（心脏）是医疗终端的典型器件组成。

医疗传感器监测到的温度、湿度、气体、流量或生理信号，施以适当的信号放大调理链路极为重要，在模拟前端（AFE，Analog Front End）电路设计中，运算放大器（OPA，Operational Amplifier）是最关键的器件，选择低噪、高精、低功耗、低偏置电流的运算放大器，能直接影响产品测量结果的精准度。国内外切入模拟信号链产品的芯片原厂也很多，例如TI、ADI、Maxim、芯海、聚洵等等。

运算放大器（Operational Amplifier，简称运放、OP、OPA、OP-AMP）是一种直流耦合，差模（差动模式，Differential-in）输入、通常为单端输出（Single-ended Output）的高增益（Gain）电压信号放大器。运算放大器最早被设计出来的目的是用来进行加、减或微分、积分的模拟数学运算，不仅可以通过增大或减小模拟输入信号来实现放大，还可以进行加减法以及微积分等运算实现放大，因此被称为“运算放大器”。同时它也成为实现模拟计算机的基本建构单元。在这种配置下，运算放大器能产生一个比输入端电势差大数十万倍的输出电势（对地而言）。所以，运算放大器是一种用途广泛，又便于使用的集成电路。

图2 有效分辨电压计算公式

实际的电路设计中还得注意运算放大器的噪声，输出端出现的噪声用电压噪声来度量。但是电压噪声源和电流噪声源都能产生噪声。运算放大器所有内部噪声源通常都折合到输入端，即看作与理想的无噪声放大器的两个输入端相串联或并联不相关或独立的随机噪声发生器。我们认为运算放大器噪声有三个基本来源：

1 、一个噪声电压发生器 ( 类似于失调电压，通常表现为同相输入端串联 )。

2 、两个噪声电流发生器 ( 类似偏置电流，通过两个差分输入端排出电流 )。

3 、电阻噪声发生器 ( 如果运算放大器电路中存在任何电阻，它们也会产生噪声。可把这种噪声看作来自电流源或电压源，不论哪种形式在给定电路中都很常见 )。

运算放大器的电压噪声可低至 3 nV/Hz。电压噪声是通常比较强调的一项技术指标,但是在阻抗很高的情况下电流噪声常常是系统噪声性能的限制因素。这种情况类似于失调，失调电压常常要对输出失调负责，但是偏置电流却有真正的责任。双极型运算放大器 的电压噪声比传统的 FET 运算放大器低，虽然有这个优点，但实际上电流噪声仍然比较大。现在的 FET 运算放大器在保持低电流噪声的同时，又可达到双极型运算放大器的电压噪声水平。

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