近年來，以電池作為電源的電子產(chǎn)品得到廣泛使用，設(shè)計工程師迫切要求采用低電壓的模擬電路來降低功耗。低電壓、低功耗、低噪聲的模擬電路設(shè)計技術(shù)正成為研究的熱點。從節(jié)約能源角度考慮，低的功率消耗不僅是電池驅(qū)動的便攜設(shè)備的需求，即便對使用市電的大型系統(tǒng)也是迫切需要，它不但可以延長設(shè)備的使用時間，而且還可以延緩設(shè)備的老化。作為集成電路中最基本的單元，運算放大器的重要性眾所周知。在低壓運算放大器中，由于電源電壓的降低，信號的動態(tài)范圍減小，同時噪聲信號幅度相對增大，放大器的信噪比降低。在越來越復雜的設(shè)計系統(tǒng)中，客戶迫切需要完美的模擬設(shè)計方案。為解決這些設(shè)計問題，帝奧微電子公司專門開發(fā)了幾款低功耗低噪聲運放來滿足市場需求。
開發(fā)背景
隨著醫(yī)療電子設(shè)備產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，用于個人保健的移動手持式醫(yī)療電子設(shè)備也同樣在快速發(fā)展，消費者對于手持式除顫儀、動態(tài)血糖監(jiān)視儀、家庭用監(jiān)護儀的需求越來越強勁。另一種典型的手持式醫(yī)療產(chǎn)品就是非接觸式紅外測溫儀，從2003年的非典到近年來的甲流，非接觸式紅外測溫儀不需要接觸物體即可測得物體的溫度，這個特點使其在一些容易傳染的疾病或者比較危險的行業(yè)進行測溫成為最好的選擇。設(shè)計這類產(chǎn)品不是一件容易的事，選擇適當?shù)脑詽M足設(shè)計規(guī)范要求，盡可能降低成本，確保設(shè)計方案的功率，特別關(guān)注產(chǎn)品的實際大小等都是在產(chǎn)品設(shè)計過程中必須考慮的問題。
不論是溫度、脈搏、血糖讀取或是其它生物傳感器，實現(xiàn)適當?shù)男盘柗糯笳{(diào)理鏈路都是十分重要的問題。在模擬前端電路中，運算放大器是最關(guān)鍵的單元，這種電路中通常選擇低噪聲、高精度、低功耗、低偏置電流的運算放大器。信號鏈的第一級一般使用高共模抑制比、低偏置電流（特別是對紅外傳感器）、低噪聲的運放；第二級會選用低功耗、高精度、低噪聲的運算放大器。信號鏈的下一階是性能良好的delta-sigma或逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。單周期濾波器設(shè)置以及隨需轉(zhuǎn)換等特性簡化了ADC的設(shè)計要求，也提高了轉(zhuǎn)換速度，并提供了較大的源阻抗。利用適當?shù)牟季旨霸x擇，可將一個干凈、精確而有意義的信號輸入到系統(tǒng)微處理器或DSP中。（圖1）
紅外測溫系統(tǒng)是利用物體的輻射能量與溫度有關(guān)的原理而組成測溫的系統(tǒng)。將普朗克公式在探測器工作波長范圍內(nèi)積分可以得出目標輻射率的大小與目標溫度間存在著固定的對應關(guān)系，用紅外探測器測出目標的熱輻射功率，就能計算出目標的表面溫度，這是紅外測溫的理論基礎(chǔ)。如圖2所示，傳感器輸出信號經(jīng)放大、濾波，與溫度補償環(huán)節(jié)進行修正和補償，最后得到與被測物體溫度成正比的電壓。
在這些應用中，運算放大器是非常關(guān)鍵的器件，因為目前手持式溫度計使用電池供電，要求極低的功耗。此外，在紅外應用中，低偏置電流也是一個重要因素，因為溫度計是一個數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)，而且是一個頻率比較低的系統(tǒng)，需要低的失調(diào)電壓和低的噪聲。
用DIO2051/2052實現(xiàn)血氧儀和紅外測溫儀
近年來，以電池作為電源的電子產(chǎn)品得到廣泛使用，設(shè)計工程師迫切要求采用低電壓的模擬電路來降低功耗。低電壓、低功耗、低噪聲的模擬電路設(shè)計技術(shù)正成為研究的熱點。從節(jié)約能源角度考慮，低的功率消耗不僅是電池驅(qū)動的便攜設(shè)備的需求，即便對使用市電的大型系統(tǒng)也是迫切需要，它不但可以延長設(shè)備的使用時間，而且還可以延緩設(shè)備的老化。作為集成電路中最基本的單元，運算放大器的重要性眾所周知。在低壓運算放大器中，由于電源電壓的降低，信號的動態(tài)范圍減小，同時噪聲信號幅度相對增大，放大器的信噪比降低。在越來越復雜的設(shè)計系統(tǒng)中，客戶迫切需要完美的模擬設(shè)計方案。為解決這些設(shè)計問題，帝奧微電子公司專門開發(fā)了幾款低功耗低噪聲運放來滿足市場需求。
開發(fā)背景
隨著醫(yī)療電子設(shè)備產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，用于個人保健的移動手持式醫(yī)療電子設(shè)備也同樣在快速發(fā)展，消費者對于手持式除顫儀、動態(tài)血糖監(jiān)視儀、家庭用監(jiān)護儀的需求越來越強勁。另一種典型的手持式醫(yī)療產(chǎn)品就是非接觸式紅外測溫儀，從2003年的非典到近年來的甲流，非接觸式紅外測溫儀不需要接觸物體即可測得物體的溫度，這個特點使其在一些容易傳染的疾病或者比較危險的行業(yè)進行測溫成為最好的選擇。設(shè)計這類產(chǎn)品不是一件容易的事，選擇適當?shù)脑詽M足設(shè)計規(guī)范要求，盡可能降低成本，確保設(shè)計方案的功率，特別關(guān)注產(chǎn)品的實際大小等都是在產(chǎn)品設(shè)計過程中必須考慮的問題。
不論是溫度、脈搏、血糖讀取或是其它生物傳感器，實現(xiàn)適當?shù)男盘柗糯笳{(diào)理鏈路都是十分重要的問題。在模擬前端電路中，運算放大器是最關(guān)鍵的單元，這種電路中通常選擇低噪聲、高精度、低功耗、低偏置電流的運算放大器。信號鏈的第一級一般使用高共模抑制比、低偏置電流（特別是對紅外傳感器）、低噪聲的運放；第二級會選用低功耗、高精度、低噪聲的運算放大器。信號鏈的下一階是性能良好的delta-sigma或逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。單周期濾波器設(shè)置以及隨需轉(zhuǎn)換等特性簡化了ADC的設(shè)計要求，也提高了轉(zhuǎn)換速度，并提供了較大的源阻抗。利用適當?shù)牟季旨霸x擇，可將一個干凈、精確而有意義的信號輸入到系統(tǒng)微處理器或DSP中。（圖1）
紅外測溫系統(tǒng)是利用物體的輻射能量與溫度有關(guān)的原理而組成測溫的系統(tǒng)。將普朗克公式在探測器工作波長范圍內(nèi)積分可以得出目標輻射率的大小與目標溫度間存在著固定的對應關(guān)系，用紅外探測器測出目標的熱輻射功率，就能計算出目標的表面溫度，這是紅外測溫的理論基礎(chǔ)。如圖2所示，傳感器輸出信號經(jīng)放大、濾波，與溫度補償環(huán)節(jié)進行修正和補償，最后得到與被測物體溫度成正比的電壓。
在這些應用中，運算放大器是非常關(guān)鍵的器件，因為目前手持式溫度計使用電池供電，要求極低的功耗。此外，在紅外應用中，低偏置電流也是一個重要因素，因為溫度計是一個數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)，而且是一個頻率比較低的系統(tǒng)，需要低的失調(diào)電壓和低的噪聲。
用DIO2051/2052實現(xiàn)血氧儀和紅外測溫儀
為滿足這些市場的需求，帝奧微電子專門開發(fā)了DIO2051/2052芯片。DIO2052/DIO2051具有寬的共模輸入范圍和寬輸出電壓擺幅，電源工作電壓范圍從2.1V到5.5V，溫度工作范圍從-40℃到125℃。DIO2052/DIO2051的帶寬是500kHz，每個通道的靜態(tài)功耗為16uA。采用CMOS輸入可以得到非常低的輸入偏置電流（0.5pA）。電源電壓為5V，電阻負載是5K歐姆的條件下，輸出范圍可以達到0.1～4.9V（如表1所示），并可實現(xiàn)高的CMRR和PSRR（如表2所示）以及低靜態(tài)功耗（如表3所示）。同時，DIO2052/DIO2051具有極低的offset（小于1mV）和低輸入噪聲（＞10kHz，20Nv/sqrt（Hz））（如表4所示）。
帝奧微電子的DIO2052在血氧儀應用（圖3）中，扮演了非常關(guān)鍵的角色。第一級用3個運放搭建成全差分模式作為信號的輸入級，提供了很高的共模抑制比，較寬的信號動態(tài)范圍，最重要的是省掉了昂貴的儀表運放。第二級用兩個運放作為信號放大和有源濾波器設(shè)計，具有良好的信噪比和低失調(diào)。在血氧儀應用中，可使客戶實現(xiàn)很高的性價比，提高產(chǎn)品的競爭力并加快上市時間。
在光電式溫度計的設(shè)計中，采用DIO2052非常符合設(shè)計的要求（圖4）。DIO2052具有極低的偏置電流（1pA），這樣可以保證遠小于紅外管的暗電流，提高了感應器的可靠性；極低的功耗（16uA）使得電池供電的溫度計可以長時間工作，降低了使用成本；DIO2052低于1mV的VOS，提高了溫度計的測量精度；良好的共模抑制比、低噪聲等特點保證了電路良好的性能和產(chǎn)品的可靠性，可以在一些危險惡劣的環(huán)境下使用。
本文小結(jié)
隨著人們對自己的健康狀況越來越關(guān)注，便攜式醫(yī)療產(chǎn)品得到快速發(fā)展。低噪聲、高精度、低功耗的運算放大器將廣為終端設(shè)計所采納。