超小型ADC提升低功耗醫療應用

輝輝仔

目前醫療設備的發展正徹底變革家庭醫療保健市場，人們無需離開家門就能診斷出各種健康狀況。技術的發展使得可攜式自助護理保健系統成為現實，這些系統可以幫助人們監視諸如血壓、血糖和體溫等重要指標。

家庭醫療監察和監視系統可以幫助人們掌控自己的健康狀況，但是這些醫療設備必須快速和高效率，並能在最重要的時候保證工作。隨著可攜式醫療感測器的發展，更長電池壽命和更小外形尺寸的需求對非組織入侵式護理來說變得愈加關鍵。


' W1 H6 n3 g1 g+ p+ h1 D醫療測量設備一般需要整合多種訊號調節電路，包括放大器、濾波、參考源和類比數位轉換器(ADC)等，才能分辨和識別感測器訊號。除了小尺寸外，讀取感測器輸出的類比電路要求低功率工作也很重要，這樣才能提供更長的電池壽命和更多的讀取次數。隨著更小更快的類比IC問世，透過牆上插座供電的小型、低功率醫療設備也變得越來越流行。


要求小尺寸和低功耗解決方案的醫療設備例子包括血液分析系統、脈搏血氧計、數位X光和數位體溫計等。

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用於醫療測量的類比電路
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有些醫療測量需要類比電路連續執行，並且每秒要取得數千甚至數百萬個讀數。而有的應用每天僅需要讀取一次。就這些偶然性測試而言，類比電路僅需加一次電進行測量，然後在一天的剩餘時間中一直處於空閒狀態，此時可使其進入低功率‘休眠’模式。


% u+ E/ N! S8 q& R# M3 ~! g類比IC的選擇取決於感測器讀數的頻繁程度。類比電路的核心是將來自感測器的類比讀數最終轉換成數位結果的ADC，數位結果可儲存在記憶體中或顯示在螢幕上。就大多數可攜式醫療感測器應用而言，數據轉換器的最佳選擇將是逐次逼近型暫存器(SAR)ADC。
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選擇這類ADC有很多理由。首先，SAR ADC非常適用於測量從零赫茲(穩定狀態)直到幾兆赫茲的訊號。這些ADC還具有快速響應和低延遲性能，是測量單個輸入或多個輸入的理想選擇。另一個關鍵因素是功率。與快閃記憶體或管線型ADC不同的是，SAR ADC的功耗將隨採樣率的變化而改變。因此，以每秒1萬次採樣(10ksps)執行的ADC所需的功耗將低於以100ksps執行的功耗，而且功率節省非常顯著。例如，一個以每秒幾百萬次採樣(Msps)速度轉換數據的SAR ADC可能消耗幾毫安電流，而相同的SAR ADC以1ksps或更低採樣率執行時可能僅消耗幾十微安電流。

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脈搏血氧計

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脈搏血氧計就是受益於SAR ADC為核心的一個醫療應用例子。這種設備用於測量與病人血液中的血紅蛋白相當的血氧含量。脈搏血氧計檢測動脈中的血液脈動，因此還能運算病人的心律。一對發光二極體(LED)透過病人身體的半透明部份(通常是指尖)對著一個光電二極體。一個光發射器用660nm的波長觸發一個紅色LED，同時用940nm的波長觸發一個紅外線LED。光電二極體接收這兩個訊號，並將光致電流轉換成電壓。然後由ADC測量這個電壓，因而在光通過病人身體後，基於每種波長光的吸收率讀出血氧百分數(參見圖1)。接下來通常是跨過一個隔離裝置將數位數據發送到數據採集系統進行儲存或在監視器上顯示。
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& [: |0 V1 n! u7 E: [" ^; c圖1：超小型ADC在脈搏血氧計中的應用。
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圖1所示的凌力爾特公司LT6202放大器提供了增益頻寬(100MHz)和低壓雜訊(1.9nV/Hz)的良好組合，同時僅消耗2.5mA電流。它還具有0.75pA/Hz的低電流雜訊，在小訊號應用中具有超低的整體雜訊和失真功率。這個放大器規定用3V、5V和±5V電源工作。


- B/ ]) M$ i( D4 \8 h採樣LT6202輸出的是一個12位元3Msps SAR ADC。LTC2366是採樣率從100ksps到3Msps、接腳和軟體完全相容的微型ADC系列成員。這個系列的ADC在3Msps時僅消耗7.8mW功率，在100ksps時為1.5mW，在休眠模式時僅為0.3μW。LTC2366的特點是沒有數據通過延遲，因此在同一時脈週期內即可獲得採樣數據。該元件透過一個3線SPI/Microwire相容介面提供採樣結果。


; ?# O1 t9 G0 B; s$ G# J1 kLTC2366採用ThinSOT 6接腳或8接腳封裝(8.1mm2)，有助於脈搏血氧計的整體解決方案尺寸保持最小。在3Msps時，它具有足夠富裕的採樣頻寬，能夠透過放大器和光電二極體電流正確地採樣電壓。LTC2366在單3V電源下工作，可由單節鋰離子電池、多節AA電池或者希望以低功率執行的牆上供電系統供電。
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LTC236x系列共有5種ADC，包括3Msps的LTC2366、1Msps的LTC2365、500ksps的LTC2362、250ksps的LTC2361和100ksps的LTC2360。上述採樣率都是每個ADC的最高採樣率。對於不需要以3Msps執行的應用而言，每個LTC236x ADC可在更低的採樣率下進一步節省功率。圖2詳細描述了3個較低速版本ADC的電源電流與採樣率的關係。基於SAR ADC本身核心設計原因，隨著採樣率的減少，功耗將迅速下降。
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圖2：LTC236x ADC功耗隨著採樣率減少而迅速降低。
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/ o# F8 Y6 ~' L8 c數位X光造影


$ e0 W( [9 b! C9 W) n另一種需要快速ADC的醫療應用實例是數位X光造影，包括牙科X光、電腦控制軸向X光斷層攝影術(CAT掃描)或用於全身掃描的醫用核磁共振造影等。X光設備製造商現在不是將影像儲存在一張底片上，而是以數位方式儲存數據。醫生的辦公室或醫院不再是在文件櫃中儲存成千上萬張底片，而是可以非常容易地將結果儲存到記憶體中，並可迅速查閱病人的病歷。
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採用數位X光造影的第二個積極作用是能夠給患者帶來舒適感。隨著更快的ADC、感測器和訊號調節模組的出現，檢查病人酸痛的牙齒或斷裂的骨頭可以快得多，這意味著病人需要保持不動的時間短得多。有了更快的X光檢查過程，醫生辦公室或醫院還可以在同樣的時間內看更多的病人。

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' `% \5 b7 S7 k) J7 O數位X光一般需要至少12位元解析度和1Msps或更高採樣率的ADC。這種ADC必須有高於或等於刷新率乘以陣列大小所得數值的採樣率。這種應用一般需要多個ADC以分辨來自閃爍體的所有光電二極體或CMOS造影電流。一組光電二極體、放大器和ADC用來對整個陣列採樣，如圖3所示。當多個ADC放置在一個空間受限的區域內時，有一個具有快速串列數據通訊功能的低功率SAR ADC至關重要。基於73dB訊息雜訊比和零數據延遲的LTC2366(3Msps)和LTC2365(1Msps)就非常適合數位X光造影使用。
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! }6 X" j1 U* }& v圖3：X光造影設備原理示意圖。


( C5 }% }9 N* o+ |  g" Q( |7 ?LTC2366的低功率(3Msps時為7.8mW)意味著，設計師可以使用多個緊密相鄰的ADC，而不會使系統變熱或者干擾讀數或病人。管線型ADC在相同採樣率時可能消耗10倍的功率。
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$ I/ m% c, T0 Y: s數位體溫計

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數位體溫計是另一個可在家庭或醫院用於病人護理的小型且價格不貴的設備。它們允許透過測量耳膜或放在腋下快速檢查病人體溫。檢測溫度並將其轉換成數位讀數的類比電路可以相當簡單。這種應用常常會用到熱感應電阻，即一個隨溫度變化而改變的電阻，因為它對人體溫度具有最高的靈敏度。
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' C' U- V, m; ~3 `# u% FLTC2450-1是一個有點兒像SAR ADC的16位元delta sigma型ADC，其功率也隨採樣率變化而變化。這種類型的delta sigma ADC非常適合某些醫療應用。例如，LTC2450-1可直接連接到一個熱感應電阻上(如圖4所示)，提供精確的數位溫度讀數。在這個例子中，一個固定的10kΩ電阻與一個取決於溫度並在1kΩ和10kΩ之間變化的熱感應電阻串聯，允許該ADC測量寬類比輸入範圍。LTC2450-1的輸入架構允許它測量高阻抗感測器，因此可以旁路掉一個放大器。電阻網路與去耦電容可直接連接到類比輸入端。
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' c# z% ^" b& S# p) b( t* \( e- l2 e圖4：低休眠電流的LTC2450-1 ADC非常適用於由電池供電的數位體溫計。


) I( q% f# m# sLTC2450-1提供極低的電源電流(隨溫度變化保證最大值為0.5μA)，使它非常適合用單節電池工作的數位體溫計。大多數家用數位體溫計都會放在抽屜裡，以休眠電流工作，僅偶爾需要加電一次。
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7 l, J+ G4 f5 PLTC2450-1提供每秒60個採樣的輸出速率，這對數位體溫計測量而言足夠用了。它採用2mmx2mm封裝，透過SPI協議通訊。小封裝尺寸和直接與熱感應電阻連接的能力使得整體類比解決方案尺寸極小。對那些希望使用2線協議的設計師而言，也有單端和差分I2C版本可用。

anita66

這可算是low power的實際應用的例子,非常先進的設計,感謝分享,3Q~

scan7510

我記得上課有聽老師提過
可是實際理論
我還是不懂xd
以後會慢慢搞懂