兩種趨勢(shì)影響著醫(yī)療和工業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)人員：一是便攜性，二是此類設(shè)備越來(lái)越多地用于消費(fèi)和實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。血糖監(jiān)控儀、多參數(shù)血液分析儀、脈搏血氧儀、PH計(jì)和環(huán)境監(jiān)控儀就是其中的例子，這些設(shè)備一度僅存在于實(shí)驗(yàn)室，但現(xiàn)在也用于便攜式應(yīng)用。
便攜式設(shè)備必須小巧輕便，功耗低，而且性能不打折扣。同時(shí)，便攜式設(shè)備對(duì)價(jià)格非常敏感。近年來(lái)，設(shè)備制造商開始使用成品器件代替ASIC，以便降低設(shè)計(jì)成本，縮短新型號(hào)的上市時(shí)間。此外，隨著精度和平臺(tái)靈活性不斷提高，要開發(fā)一款全能型單芯片解決方案非常困難。許多小公司一般也無(wú)力承受ASIC的高昂成本。
在醫(yī)療和工業(yè)系統(tǒng)中，測(cè)量路徑首先從傳感器開始，其輸出在提供給ADC之前，可能先要經(jīng)過(guò)放大、濾波和電平轉(zhuǎn)換。諸如此類的信號(hào)調(diào)理電路中所用的運(yùn)算放大器能夠從多方面優(yōu)化混合信號(hào)設(shè)計(jì)(如血糖監(jiān)控儀和脈搏血氧儀)的性能。
在便攜式應(yīng)用中，待測(cè)量的信號(hào)與共模信號(hào)相比可能非常小，因而對(duì)運(yùn)算放大器的技術(shù)要求比以往更高。例如，脈搏血氧儀測(cè)量光通過(guò)手指吸收，但大部分光被病人的組織所吸收，只有一小部分光被流經(jīng)手指的新鮮血液所吸收，目標(biāo)信號(hào)通常僅為總信號(hào)的0.1%到2%。醫(yī)療儀器面臨的另一項(xiàng)挑戰(zhàn)是電噪聲。許多醫(yī)療設(shè)備，諸如無(wú)線傳呼器、泵、電機(jī)等，都會(huì)向病人周圍的區(qū)域中發(fā)射大量RF噪聲。而且，大多數(shù)醫(yī)療設(shè)備都使用很長(zhǎng)的引線，它們會(huì)像天線一樣拾取這些干擾信號(hào)，使問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化。此外還要求設(shè)備與病人之間必須進(jìn)行電流隔離。
放大器技術(shù)的進(jìn)步
自從40多年前首款運(yùn)算放大器問(wèn)世以來(lái)，IC制造和電路設(shè)計(jì)取得了巨大的進(jìn)步，始終緊跟終端市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。模擬設(shè)計(jì)人員的終極目標(biāo)是推出一款真正理想的放大器，具有無(wú)限大開環(huán)增益、無(wú)限輸入阻抗、零偏置電流、零失調(diào)電壓，并且無(wú)噪聲。模擬工程師在這些前沿技術(shù)領(lǐng)域已獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但市場(chǎng)和客戶期望的不斷變化導(dǎo)致新挑戰(zhàn)層出不窮。如今，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員希望擁有的是零功耗、零封裝尺寸和零成本的精密運(yùn)算放大器。為此，運(yùn)算放大器制造商推出了齊全的產(chǎn)品組合，以更高的標(biāo)準(zhǔn)滿足這些要求。如今的運(yùn)算放大器帶寬更寬、噪聲更低、工作電壓更低、功耗更低、尺寸更小、成本更低。此外，這些器件還能提供更豐富的特性和功能;隨著信噪比要求的提高，以及越來(lái)越多的家用電器和工業(yè)設(shè)備涉及實(shí)際信號(hào)處理，這種趨勢(shì)仍將延續(xù)下去。
IC制造商綜合運(yùn)用新的工藝、設(shè)計(jì)技術(shù)、封裝選項(xiàng)和制造能力，生產(chǎn)出更好的器件，成為當(dāng)今諸多高難度應(yīng)用的理想之選。鑒于不同的應(yīng)用要求不同的規(guī)格特性組合，廠商不斷推出更廣泛的放大器產(chǎn)品以滿足此類需求。舉例而言，有的放大器可能最適合測(cè)量溫度，但它們并不是光電二極管檢測(cè)和放大應(yīng)用的最佳選擇。
業(yè)界在工藝技術(shù)的各個(gè)方面都取得了顯著的進(jìn)步。CMOS技術(shù)原本主要針對(duì)數(shù)字電路和微處理器而開發(fā)，現(xiàn)已經(jīng)過(guò)優(yōu)化，同樣適用于模擬產(chǎn)品，使得放大器設(shè)計(jì)人員能夠降低功耗和成本，并克服其內(nèi)在的高電壓噪聲，從而開發(fā)出以前只有利用雙極性技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)的超高性能放大器。采用CMOS技術(shù)，設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒌驮肼曁匦耘c超低偏置電流特性相結(jié)合，制造出更好的器件。工業(yè)CMOS (iCMOS?)等新型專有制造工藝為實(shí)現(xiàn)最低噪聲的CMOS放大器(2.7nV/√Hz @ 10kHz)和超低電源電流放大器(每個(gè)放大器1μA)提供了有力支持。CMOS技術(shù)的另一項(xiàng)益處是能夠提供高輸入阻抗，這一特性對(duì)許多醫(yī)療應(yīng)用至關(guān)重要。新型工業(yè)雙極性工藝，如iPolar?溝渠隔離技術(shù)等，通過(guò)運(yùn)用先進(jìn)的處理技術(shù)和JFETS等元件，大幅縮小了芯片尺寸;業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)放大器OP07的縮小幅度達(dá)到60%之多，因而得以采用最小的封裝(見圖1)。這些工藝技術(shù)領(lǐng)域的最新成果使得放大器設(shè)計(jì)人員能夠在其最新產(chǎn)品中集成一些重要特性，如過(guò)壓保護(hù)(OVP)、EMI濾波器和高ESD額定值等。這些特性對(duì)于以用戶安全和儀器可靠性為重的醫(yī)療應(yīng)用極具價(jià)值。舉例而言，雙通道36V低功耗運(yùn)算放大器ADA4091-2具有軌到軌輸入/輸出，并且能在±5V電源軌上下25V的范圍內(nèi)提供過(guò)壓保護(hù)。在JFET放大器領(lǐng)域，低成本ADA4000-1在5引腳TSOT封裝中集成了高輸入阻抗、低輸入偏置電流、寬帶寬、快速壓擺率和快速建立時(shí)間等特性。
圖1 新型iPolar工藝使芯片尺寸大為縮小
