今天很多應(yīng)用都需要用到高精度運(yùn)放，如醫(yī)療電子儀器、低噪聲儀表、精密低漂移低頻ADC驅(qū)動(dòng)器、熱電偶和其它溫度傳感器前端放大器、慣性傳感器、工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)、體重計(jì)、流量計(jì)、壓力傳感器，特別是家用保健型醫(yī)療儀器和醫(yī)院用高端成像設(shè)備，前端采集的傳感器模擬信號(hào)通常都非常的小，必須經(jīng)過(guò)放大才能送到ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，如果前端運(yùn)放的輸入電壓噪聲或失調(diào)電壓與輸入采集信號(hào)處于同一數(shù)量級(jí)，那么這些噪聲或失調(diào)電壓很可能不會(huì)被濾掉，而是被放大后送到后端數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行處理，這有可能導(dǎo)致系統(tǒng)嚴(yán)重的誤判。此外，運(yùn)放溫漂也會(huì)在環(huán)境工作溫度較高時(shí)使系統(tǒng)造成誤判。如果用戶或醫(yī)生過(guò)度信賴電子醫(yī)療儀器數(shù)據(jù)診斷病情或開(kāi)處方，有可能會(huì)給用戶帶來(lái)健康或情緒困擾，因此很多工業(yè)、儀器和醫(yī)療電子應(yīng)用對(duì)高精度低溫漂精密運(yùn)放的需求每年呈遞增態(tài)勢(shì)。
高精度模擬器件需求增長(zhǎng)迅速
CADEKA公司總經(jīng)理Craig Swing |
隨著曾先后從NSC和飛兆分離出來(lái)的CADEKA公司總經(jīng)理Craig Swing表示：“目前全球市場(chǎng)對(duì)高精度模擬器件的需求大約為每年60億美元，約占整個(gè)模擬器件市場(chǎng)的20%。高精度模擬器件的前三大需求市場(chǎng)分別是：工業(yè)電子、醫(yī)療電子和儀器、通信電子。”
高精度運(yùn)放是高精度模擬器件的一個(gè)重要組成部分，目前大多數(shù)高精度運(yùn)放的電源電壓大都在5V到12V之間，因?yàn)楹芏嘞M(fèi)類和醫(yī)療電子類應(yīng)用的信號(hào)電壓都不會(huì)大于這一范圍。但隨著越來(lái)越多的工業(yè)控制和通信電子需要用到±12V或±15V信號(hào)電壓，高壓高精度低溫漂運(yùn)放開(kāi)始得到供應(yīng)商越來(lái)越多的重視。例如，最近TI利用高壓CMOS工藝開(kāi)發(fā)出業(yè)界第一顆零溫漂36V斬波運(yùn)放，Intersil利用其PR40雙極工藝開(kāi)發(fā)出一系列高精度低溫漂40V運(yùn)放。
Intersil 精密模擬產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Paul Lee |
據(jù)Databeans統(tǒng)計(jì)，2011年醫(yī)療器械用放大器的全球營(yíng)收為2.23億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為11%。不出預(yù)料，絕大多數(shù)的放大器消耗來(lái)自中國(guó)和亞太地區(qū)。
Intersil 精密模擬產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Paul Lee表示：“雖然存在例外，但大多數(shù)高端醫(yī)療儀器設(shè)備主要使用高性能JFET輸入運(yùn)放，這些運(yùn)放在低頻和寬帶下均提供優(yōu)良的DC參數(shù)和低噪聲?！?
TI高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理宋浩然補(bǔ)充道：“JFET高精度運(yùn)放一般用于電流檢測(cè)應(yīng)用，因?yàn)樗妮斎肼╇娏鬏^小。CMOS高精度運(yùn)放主要用于電壓檢測(cè)應(yīng)用?！?
對(duì)于便攜醫(yī)療設(shè)備，CMOS運(yùn)放最受歡迎，因?yàn)樗鼈円暂^低功耗和合理的成本提供相當(dāng)好的性能。
TI高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理宋浩然 |
縱觀整個(gè)醫(yī)療電子市場(chǎng)，低功耗、高集成度、小體積、低成本、高性能及高可靠性必然是發(fā)展趨勢(shì)，創(chuàng)新型醫(yī)療電子則向更加靈活、實(shí)惠和便攜的方向發(fā)展。
Paul Lee指出：“便捷式醫(yī)療市場(chǎng)朝集成式解決方案方向發(fā)展的趨勢(shì)特別明顯，其目的是降低成本和提升性能等?！?
不同醫(yī)療電子應(yīng)用對(duì)高精度運(yùn)放的需求是不同的。例如，超聲系統(tǒng)需要噪音非常低、通常增益可調(diào)且動(dòng)態(tài)范圍較大的運(yùn)放作為模擬采集的前端，如AD8332/4, 目前在新的設(shè)計(jì)中更多的是集成式的模擬前端，其不但集成了低噪聲運(yùn)放、可編程增益放大器，同時(shí)還集成有ADC，如AD927x系列；對(duì)于心電圖儀這種有較高人體共模干擾的設(shè)備，一般需要共模抑制比高、噪聲低的運(yùn)放產(chǎn)品作為調(diào)理電路。
但是，根據(jù)不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在運(yùn)放的選擇上也會(huì)有所不同，便攜醫(yī)療電子設(shè)備通常需要偏置電流非常低、供電電壓低、失真低、成本低、尺寸小的運(yùn)放，甚至是SoC的解決方案；CT等大型復(fù)雜影像設(shè)備需要通道數(shù)多、噪聲低、一致性好的積分器類運(yùn)放，通道密度高，所以功耗也是重要的方案選型的重要指標(biāo)。
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不同應(yīng)用對(duì)高精度運(yùn)放需求特點(diǎn)
不同醫(yī)療系統(tǒng)對(duì)高精度放大器的要求區(qū)別很大，ADI公司亞太區(qū)醫(yī)療行業(yè)市場(chǎng)經(jīng)理王勝表示：“超聲應(yīng)用一般要求高集成度的低噪聲運(yùn)放，如ADI推出的AD927X低噪聲放大器，它集成了低噪聲放大器、可變?cè)鲆娣糯笃鳌⒖够殳B濾波器以及ADC等，這種高集成方案大大提高了客戶系統(tǒng)的性能，降低了功耗，同時(shí)使得設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化；對(duì)于CW通道的運(yùn)放芯片，一般對(duì)噪聲、功耗、以及失真都有很高的要求，如ADI的ADA4897-1/-2和ADA4896-2，在類似的應(yīng)用場(chǎng)合都有很好的市場(chǎng)反饋，并且出貨量都很大?！?table align="right" width="136" cellpadding="8">
ADI公司亞太區(qū)醫(yī)療行業(yè)市場(chǎng)經(jīng)理王勝 |
ADI的ADuC7xxx系列放大器集成了模擬信號(hào)調(diào)理、ADC和處理器等，非常適合便攜式醫(yī)療產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，如AD8235/6儀表放大器，它可在保持高精度和低噪聲的同時(shí)，功耗僅有40uA，在電池類供電的便攜式醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用中極具優(yōu)勢(shì)，如可應(yīng)用到SPO2、 血糖儀、血壓計(jì)、體溫計(jì)以及便攜式ECG設(shè)備中；像CT這樣的大型設(shè)備，通道數(shù)非常多，以前采用分立器件或是8通道、16通道的放大器進(jìn)行信號(hào)的放大，但現(xiàn)在ADI專門(mén)推出了具有128個(gè)通道的電流輸入數(shù)字輸出的ADAS1128。
王勝說(shuō)：“對(duì)于醫(yī)療儀器，其應(yīng)用種類和對(duì)放大器類產(chǎn)品的要求就更加多樣化，即使是同種應(yīng)用系統(tǒng)，可能因?yàn)楦鱾€(gè)客戶的方案不同，其選型上也可能有較大差別?！?
不過(guò)，他指出，對(duì)于醫(yī)療電子來(lái)說(shuō)，理想的解決方案是相對(duì)的，大多是綜合各種設(shè)計(jì)要求及成本考慮的折衷選擇，或者是在可選的方案中的相對(duì)最優(yōu)。
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最新高精度運(yùn)放解決方案
目前市面上能夠提供高精度運(yùn)放的前五大供應(yīng)商有TI、ADI、Linear、Maxim和NSC，Intersil剛進(jìn)入這一市場(chǎng)不久，CADEKA和Dioo(帝奧微電子)則規(guī)模還不大，但最后兩家公司的運(yùn)放產(chǎn)品性能卻一點(diǎn)也不弱，有些性能甚至處于業(yè)界領(lǐng)先地位。
王勝表示：“目前ADI在高性能運(yùn)放市場(chǎng)中已占有42%的市場(chǎng)份額(Databeans 2010數(shù)據(jù))，我們已經(jīng)擁有明顯的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)?！?
不過(guò)，TI在高壓零漂移運(yùn)放領(lǐng)域走在了ADI的前面，最近TI推出了雙通道零漂移36V運(yùn)算放大器OPA2188，主要針對(duì)對(duì)精度要求超高的高、低電壓電源應(yīng)用，如測(cè)量測(cè)試設(shè)備、電子秤、醫(yī)療儀表以及流量計(jì)等。
宋浩然表示：“業(yè)界首款OPA2188與同類競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品相比，可在相同功耗下將失調(diào)電壓漂移改善4倍，初始失調(diào)電壓改善60%，帶寬提高1倍。”
OPA2188 將 TI 專有的零漂移技術(shù)與其高精度36V CMOS工藝相結(jié)合，可為模擬設(shè)計(jì)人員解決在高電壓環(huán)境下實(shí)施高精度測(cè)量的技術(shù)難題提供簡(jiǎn)單明了的方法，它幫助客戶在控制與自動(dòng)化等應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更高的效率，以及在便攜式醫(yī)療設(shè)計(jì)中獲得更高的準(zhǔn)確度。
OPA2188的具體性能優(yōu)勢(shì)包括：1）零漂移架構(gòu)，每攝氏度0.03uV，可減少未來(lái)系統(tǒng)校準(zhǔn)需求；2）25uV初始失調(diào)電壓可實(shí)現(xiàn)同類最高分辨率的傳感器測(cè)量；3）在僅消耗475uA靜態(tài)電流的同時(shí)，提供2MHz帶寬，將幫助便攜式醫(yī)療應(yīng)用提供更高水平的準(zhǔn)確度；4）高系統(tǒng)精度的8.8nV/rtHz低噪聲；5）輸入共模電壓范圍從負(fù)軌擴(kuò)展到正軌1.5V內(nèi)，不但可節(jié)省其它電路系統(tǒng)，而且還支持5V單電源工作。
OPA2188是TI第一個(gè)高壓高精度斬波運(yùn)放，主要針對(duì)電源電壓通常為±12V或±15V的工業(yè)或通信計(jì)量應(yīng)用，此前TI推出的高精度運(yùn)放的電源電壓基本上都在5V-12V之內(nèi)，如知名的OPA333、OPA335、OPA378和OPA734/735。
傳統(tǒng)上36V高壓高精度低溫漂運(yùn)放是采用雙極工藝實(shí)現(xiàn)的，如Intersil采用高壓雙極工藝PR40開(kāi)發(fā)的ISL28127、ISL28117B/28217B，它們的最大電源電壓可高達(dá)40V，TI是業(yè)內(nèi)第一家利用CMOS工藝開(kāi)發(fā)出36V高壓零溫漂運(yùn)放的供應(yīng)商，將CMOS工藝的低成本優(yōu)勢(shì)也帶進(jìn)了高壓高精度運(yùn)放領(lǐng)域，如OPA2188的1K訂量定價(jià)僅為1.40美元。
Intersil精密產(chǎn)品副總裁兼總經(jīng)理Roger Levinson表示：“PR40工藝的最大優(yōu)勢(shì)是可以提供低噪聲和高可靠性，它使得我們的產(chǎn)品與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，可以一半的功耗提供相同的性能?！?
例如，ISL28127的帶寬高達(dá)10MHz，溫漂值為0.5uV/℃，輸入失調(diào)電壓為70uV，輸入噪聲僅為2.5nV/rtHz，CMRR和PSRR分別高達(dá)115dB，不過(guò)，它的功耗有些大，高達(dá)2.8mA。ISL28117B/28217B雖可將功耗和輸入失調(diào)電壓分別降至530uA和50uV，但溫漂升高到0.6uV/℃，輸入噪聲上升到8nV/rtHz，帶寬降至1.5MHz。這三款產(chǎn)品每訂購(gòu)1K的報(bào)價(jià)分別為1.05美元、0.95美元和1.89美元。
除了高壓運(yùn)放，Intersil最近還推出了全新5V超低噪聲、斬波穩(wěn)定式零漂移軌對(duì)軌放大器ISL28134。該產(chǎn)品能在與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手放大器耗電量類似情況下，將噪聲降低一半，十分適用于低噪聲、高端儀表系統(tǒng)。
ISL28134的主要性能特點(diǎn)為：1)0.1Hz至10Hz的噪聲電壓僅為0.25uVp-p;2)輸入失調(diào)電壓最大值為2.5uV;3)輸入失調(diào)電壓溫漂最大值為15nV/℃;4)功耗僅為675uA;5)軌對(duì)軌輸入輸出;6)共模抑制比(CMRR)高達(dá)135dB。
Cadeka開(kāi)發(fā)出了兩款具有當(dāng)今市場(chǎng)上最低寬帶噪聲的(0.60nV/√Hz)高速放大器CLC1001與CLC1002，比同檔次產(chǎn)品中最接近的對(duì)手還低30%。
除了超低0.60nV/√Hz 輸入電壓噪聲之外，CLC1001與CLC1002還提供了最大1mV的輸入失調(diào)電壓以及出色的交流性能，使它們非常適合應(yīng)用于需要高靈敏度和高信號(hào)完整性的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這兩款放大器的電流消耗均低于13mA，它們還具有關(guān)斷功能可以使電流消耗進(jìn)一步降低到225uA以下。
盡管Cadeka總經(jīng)理Craig Swing充滿驕傲地說(shuō)：“CLC1001與CLC1002是我們先進(jìn)放大器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的最好例證，我們特有的架構(gòu)使我們能夠在這個(gè)價(jià)位上提供業(yè)界最好的噪聲表現(xiàn)?！?
ANjesmc
不過(guò)，TI宋浩然指出：“高精度運(yùn)放的各項(xiàng)性能指標(biāo)實(shí)際上是折中的結(jié)果，你可以通過(guò)犧牲功耗將輸入低噪聲指標(biāo)做到業(yè)界最好，但客戶其實(shí)更需要性能平衡的高精度運(yùn)放，而這正是我們的開(kāi)發(fā)策略。”
CLC1001設(shè)計(jì)具有10V/V或者更高的增益，并且為開(kāi)發(fā)者提供了低噪聲、2.1GHz增益帶寬積、410V/us的壓擺率以及130mA輸出電流驅(qū)動(dòng)能力，而電流消耗僅為12.5mA。CLC1002設(shè)計(jì)用于那些需要較低增益(5V/V或者更高)的應(yīng)用。CLC1002的優(yōu)良特性包括965MHz的增益帶寬積、170V/us的壓擺率、130mA輸出電流、以及同樣的業(yè)界最低噪聲0.60nV/√Hz。它的不足之處是CMRR較低，只有85dB。
同時(shí)具有低噪聲、低輸入失調(diào)電壓、高速、高輸出電流、以及出色的帶寬性能使CLC1001與CLC1002可以勝任很多如高速通信、醫(yī)療、以及儀表應(yīng)用，包括雷達(dá)、聲納、機(jī)站、超聲、X光、探頭以及測(cè)試設(shè)備。
CLC1001與CLC1002采用無(wú)鉛封裝，并且符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。1K定購(gòu)價(jià)格分別為1.20美元和1.049美元。
“我們的高精度運(yùn)放產(chǎn)品與世界前五大供應(yīng)商相比，性能一點(diǎn)也不差，有些甚至還領(lǐng)先，再加上我們架構(gòu)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)的更低成本，使得它們具有市場(chǎng)最好的競(jìng)爭(zhēng)力。例如，我們的運(yùn)放產(chǎn)品在帶寬達(dá)到1GHz時(shí)可以接收9Vp-p輸入電壓，在80MHz時(shí)可以接收20Vp-p的輸入電壓，目前業(yè)內(nèi)沒(méi)有其它供應(yīng)商能實(shí)現(xiàn)這一性能。”Craig Swing指出，“雖然我們目前在市場(chǎng)上還處于起步階段，但我相信不久以后市場(chǎng)份額就會(huì)有很大的提升?！?
Dioo目前共有兩款高精度運(yùn)放產(chǎn)品，分別是DIO2101和DIO2201。DIO2101是一種高性能電壓反饋放大器，目標(biāo)應(yīng)用市場(chǎng)主要包括：醫(yī)用超聲通道放大器、低噪音需求的數(shù)據(jù)采集、探頭設(shè)備和測(cè)試設(shè)備。DIO2201是一種單通道低功耗放大器，目標(biāo)應(yīng)用市場(chǎng)主要包括：醫(yī)療儀器設(shè)備、低噪聲數(shù)據(jù)采集、互阻放大器、測(cè)試設(shè)備及其探測(cè)應(yīng)用。這二款器件均可提供領(lǐng)先業(yè)界的超低電壓輸入噪聲(0.6nV/√Hz)性能。
DIO2101的其它主要特性包括：超低失調(diào)(最大為1mV)，2.1GHz的增益帶寬積(GBP)、410V/μs的轉(zhuǎn)換率、高達(dá)130mA的輸出電流能力、工作溫度范圍可從-40至+125℃、工作電壓范圍為4V-12V，僅消耗12.5mA供應(yīng)電流，并有省電模式(啟用/禁用引腳在225μA低功耗模式)。DIO2102是專為在速度、靈敏度和最小信號(hào)失真方面能理想應(yīng)用的儀器而設(shè)計(jì)。
DIO2201的其它主要特性包括：950MHz的增益帶寬積、170V/μs的壓擺率，低輸入失調(diào)電壓(1mV)、高達(dá)130mA的輸出電流能力、低功耗(13mA)、省電模式下只有不到225μA、溫度范圍為-40至+125℃和4V至12V電源供應(yīng)，它是專為要有超低失真、精確度高以及低功耗應(yīng)用的高速低噪音信號(hào)處理器設(shè)計(jì)的。
最新Design-Wins
Paul Lee透露：“我們?nèi)齻€(gè)季度前剛發(fā)布的首款JFET放大器ISL28210取得的第一個(gè)設(shè)計(jì)成功是在‘Goldway’(中國(guó))的患者監(jiān)測(cè)應(yīng)用。我們還在爭(zhēng)取一個(gè)機(jī)會(huì)，這就是在‘Landwind’(中國(guó))的生物醫(yī)療分析儀應(yīng)用。如同大多數(shù)水平（行業(yè)）客戶一樣，該機(jī)會(huì)的規(guī)模開(kāi)始也很小(剛剛開(kāi)始)，但有望隨著時(shí)間的推移而增大?！?
Intersil目前的主要分銷合作伙伴是P&S、Avnet、Dahua和Burnon。Paul Lee表示：“對(duì)于重要或大醫(yī)療行業(yè)客戶，如Mindray，我們將直接提供服務(wù)/支持?！?
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