《電子技術(shù)應(yīng)用》
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低功耗運(yùn)放設(shè)計及在便攜設(shè)備中的應(yīng)用
摘要: 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(diǎn)。
Abstract:
Key words :

  1.概述

  近年來,以電池作為電源的電子產(chǎn)品得到廣泛使用,設(shè)計師迫切要求采用低電壓的模擬電路來降低功耗" title="低功耗">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(diǎn)。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" title="便攜設(shè)備">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,也可以延緩設(shè)備的老化。運(yùn)算放大器作為集成電路中最基本的單元,其重要性是眾所周知的。在低壓運(yùn)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。為了解決這些設(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(yùn)放來滿足這個市場需求。

  2. 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。不管是手持式除顫儀還是動態(tài)血糖監(jiān)視儀,設(shè)計這類產(chǎn)品都不是一件容易的事。選擇適當(dāng)?shù)脑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)品的實際大小等等,都是在產(chǎn)品設(shè)計過程中必須考慮的問題。同樣隨著國人安防安全意識的提高,煙霧探測設(shè)備進(jìn)入千家萬戶,對低功耗(電池壽命長)靈敏度和可靠性高的消防產(chǎn)品設(shè)計提出了更高的要求。

  

  血壓監(jiān)視儀的結(jié)構(gòu)框圖

  不論是溫度、脈搏、血糖讀取或其它生物傳感器,實施適當(dāng)?shù)男盘柗糯笳{(diào)理鏈路都是最重要的問題。在模擬前端電路中,運(yùn)算放大器是最關(guān)鍵的單元,在這種電路中,一般選擇低噪聲,高精度,低功耗,低偏置電流的運(yùn)算放大器。信號鏈的第一階一般使用高共模抑制比,低偏置電流(特別對紅外管傳感器),低噪聲的運(yùn)放;第二級會選用低功耗,高精度,低噪聲的運(yùn)算放大器。信號鏈下一階是良好的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(dāng)?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/DSP中。

  

  煙感結(jié)構(gòu)框圖

  煙霧傳感器構(gòu)成的報警器,能及時報告火警。在煙霧傳感器中,安裝著一種對煙霧氣特別敏感的半導(dǎo)體材料,如氧化錫、氧化鋅等,因而亦稱它們?yōu)闅饷舨牧稀T谟袩熿F氣的環(huán)境中,當(dāng)煙霧氣的濃度達(dá)到一定量值時,氣敏材料內(nèi)部的電阻值就會迅速下降。一旦煙霧氣消失,它們的電阻值又會恢復(fù)正常。另外一種煙霧檢測的方法是,利用紅外光線被煙霧遮擋而造成紅外接收測電流變化而報警的原理。光電方式又分前向散射與后向散射探測方式,傳感器安裝在光學(xué)迷宮里,沒有煙霧時傳感器接收不到或只接收到很微弱的光信號,經(jīng)過放大器放大,邏輯判斷電路不做報警處理,有煙霧進(jìn)入迷宮時,光線照射到煙霧粒子上產(chǎn)生散射,傳感器接收到比較強(qiáng)的光信號,經(jīng)放大后,邏輯報警電路發(fā)出警報信號。在這些應(yīng)用中,運(yùn)算放大器是其中的關(guān)鍵器件,要求超低功耗,低偏置電流,低噪聲。

  1.概述

  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(diǎn)。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,也可以延緩設(shè)備的老化。運(yùn)算放大器作為集成電路中最基本的單元,其重要性是眾所周知的。在低壓運(yùn)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。為了解決這些設(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(yùn)放來滿足這個市場需求。

  2. 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。不管是手持式除顫儀還是動態(tài)血糖監(jiān)視儀,設(shè)計這類產(chǎn)品都不是一件容易的事。選擇適當(dāng)?shù)脑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)品的實際大小等等,都是在產(chǎn)品設(shè)計過程中必須考慮的問題。同樣隨著國人安防安全意識的提高,煙霧探測設(shè)備進(jìn)入千家萬戶,對低功耗(電池壽命長)靈敏度和可靠性高的消防產(chǎn)品設(shè)計提出了更高的要求。

  

  血壓監(jiān)視儀的結(jié)構(gòu)框圖

  不論是溫度、脈搏、血糖讀取或其它生物傳感器,實施適當(dāng)?shù)男盘柗糯笳{(diào)理鏈路都是最重要的問題。在模擬前端電路中,運(yùn)算放大器是最關(guān)鍵的單元,在這種電路中,一般選擇低噪聲,高精度,低功耗,低偏置電流的運(yùn)算放大器。信號鏈的第一階一般使用高共模抑制比,低偏置電流(特別對紅外管傳感器),低噪聲的運(yùn)放;第二級會選用低功耗,高精度,低噪聲的運(yùn)算放大器。信號鏈下一階是良好的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(dāng)?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/DSP中。

  

  煙感結(jié)構(gòu)框圖

  煙霧傳感器構(gòu)成的報警器,能及時報告火警。在煙霧傳感器中,安裝著一種對煙霧氣特別敏感的半導(dǎo)體材料,如氧化錫、氧化鋅等,因而亦稱它們?yōu)闅饷舨牧稀T谟袩熿F氣的環(huán)境中,當(dāng)煙霧氣的濃度達(dá)到一定量值時,氣敏材料內(nèi)部的電阻值就會迅速下降。一旦煙霧氣消失,它們的電阻值又會恢復(fù)正常。另外一種煙霧檢測的方法是,利用紅外光線被煙霧遮擋而造成紅外接收測電流變化而報警的原理。光電方式又分前向散射與后向散射探測方式,傳感器安裝在光學(xué)迷宮里,沒有煙霧時傳感器接收不到或只接收到很微弱的光信號,經(jīng)過放大器放大,邏輯判斷電路不做報警處理,有煙霧進(jìn)入迷宮時,光線照射到煙霧粒子上產(chǎn)生散射,傳感器接收到比較強(qiáng)的光信號,經(jīng)放大后,邏輯報警電路發(fā)出警報信號。在這些應(yīng)用中,運(yùn)算放大器是其中的關(guān)鍵器件,要求超低功耗,低偏置電流,低噪聲。

  3. 帝奧微電子DIO2051/2052的應(yīng)用

  帝奧微電子為了滿足這些市場的需要,特開發(fā)了一款DIO2051/2052芯片來滿足客戶的需求。DIO2052/DIO2051 有寬的共模輸入范圍和寬的輸出電壓擺幅,電源工作電壓從2.1V到5.5V,溫度工作范圍從-40℃到125℃。

  DIO2052/DIO2051的Bandwidth是500kHz,每個通道的靜態(tài)功耗是16uA。采用CMOS的輸入,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(fù)載是5K歐姆的條件下,輸出范圍可以達(dá)到0。1~4。9V,如表1所示。高的CMRR和PSRR,如表2所示。低的靜態(tài)功耗,如表3所示。同時,DIO2052/DIO2051具有低的Offset(小于1mV),低的輸入噪聲,在大于>10kHz,20nV/Sqrt(Hz),如表4所示。

  

  表 1 在不同的電阻負(fù)載條件下,輸入輸出曲線

  

  表 2 PSRR和CMRR

  

  表 3 靜態(tài)功耗隨電源電壓變化曲線

  

  表 4 等效的輸入噪聲

  

  帝奧微電子DIO2052在血氧儀中的應(yīng)用

  帝奧微電子的DIO2052在血氧儀應(yīng)用中,扮演了非常關(guān)鍵的角色。第一級用3個運(yùn)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(yùn)放。第二級用兩個運(yùn)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)。在血氧儀的應(yīng)用中,使客戶取得了非常高的性價比,提高了產(chǎn)品的競爭力和加快了上市時間。

  

  光電式煙感DIO2052應(yīng)用實例

  在這個光電式煙霧感應(yīng)器的設(shè)計中,設(shè)計師采用的DIO2052非常符合設(shè)計的要求。DIO2052具有極低的偏置電流(《1pA),這樣可以保證遠(yuǎn)小于紅外管的暗電流,提高了感應(yīng)器的可靠性;DIO2052具有極低的功耗(《18uA),使得簡易電池供電煙霧感應(yīng)器可以長時間工作,即便是組網(wǎng)的煙感,也可以讓更多的終端連接到消防控制中心上;DIO2052良好的共模抑制比,低噪聲等特點(diǎn),保證了電路良好的性能和產(chǎn)品的可靠性,符合消防產(chǎn)品的設(shè)計理念。

  4. 小結(jié)

  隨著人們對自己的健康狀況越來越關(guān)注,對生存環(huán)境安全性越來越關(guān)注,便攜式醫(yī)療產(chǎn)品,消防報警產(chǎn)品必然得到高速的發(fā)展。低噪聲,高精度,低功耗的運(yùn)算放大器將廣為終端設(shè)計所采納。

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