原创 医疗电子之神经末梢:运放浅析

2020-11-23 14:48 812 5 4 分类: 医疗电子

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。

如今的运放技术已可实现 µV 级失调电压、nV 级漂移和超低噪声性能。在实际电路中,运放通常结合反馈网络共同组成某种特定功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。我们以红外体温计(简称额温枪)为例做个说明:额温枪温度测量要求:国家标准《GB-T 21417.1-2008 医用红外体温计》中规定,额温枪需达到±0.3℃的测量精度,至少满足35℃~42℃的测量范围。热电堆传感器常用于额温枪,因为高于绝对零度的任何物体都可以发出红外线,并且物体辐射出的能量随着物体表面温度的增加而增强,基于这个关系,热电堆传感器可以测出物体辐射出的能量并通过运算得出物体表面的温度。

1 热电堆传感器参数对比表
因为被测物体每变化1°C,热电堆传感器输出仅仅增加42uV~100uV,这样0.1°C 分辨率对应的输出电压变化只有4.2uV~10uV,所以热电堆探头选型以高灵敏度为佳。如果要实现额温枪的精度为±0.3°C 以内,那么热电堆传感器在0.3°C 产生的电压仅为12.6uV~30uV,意味着运放的最大失调电压值都不能大于12.6uV~30uV。假设运放搭配着12位 ADC,ADC有效位数均值10.5 位,参考电压为2048mV时有效分辨电压按下图公式约为1.41mV。运放至少则至少得选用1.41mV/12.6uV=112倍以上的。

图2 有效分辨电压计算公式

而且根据不同的测温距离,选用不同视场角的探头,因为热电堆探头实际输出的电压值,是整个视场角范围内物体的平均温度值。另外为了提高热电堆探头输出的信噪比,热电堆内部等效的电阻值也是关键因素之一,电阻的阻值越大,其输出热噪声就会相应更大。正是因为热电堆传感器输出的信号如此微弱,使得经放大后的电压误差也需要很小,只有零漂移自稳零类型的运放,才能满足信号的放大调理。这类运放内部有一个主放大器,还有一个辅助的放大器,用于每隔us级别的时间间隔自动校准失调电压,还有Clock 时钟同步电路,以实时保证失调电压为最小值,特别适用于甚低频信号的放大调理。由于热电堆传感器内阻为100kΩ 左右,属于比较大的电阻,这样要求运放的输入偏置电流必须是pA级别的才能减少带来的误差,所以运放只能是CMOS 架构的。运放的反馈电阻需要并联一个100nF 电容,把整个电路的带宽限制在10Hz 以内,充分降低放大电路的输出噪声。最重要的是运放的1/f 噪声,需要选用5uVpp 以内的以提高信噪比。还有一点是不少研发工程师容易犯下意识的错误:运放的输出引脚不能直接对地接电容做滤波,否则会引起运放振荡,可以先串联一个1kΩ 以上的电阻,再对地并联电容。市面可供选型的高精度零漂移的运放IC有:

图3  高精度零漂移的运放IC一览表

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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作者: ICZOOM, 来源:面包板社区

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HXEKJYXGS 2020-11-27 10:14

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