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浅谈如何满足便携式医疗设备的安全性设计 现今的医疗便携设备方便病人自行诊疗、自由走动，甚 至可在外出时使用设备。便携式电子医疗设备要实现方便 携带的特色功能，就必须具备微型化和低功耗的特性。此 外，这些设备还要有极高的精度以确保病人的安全。医疗 设备采用多种不同的传感器来监视病人的健康状况，然后 传感器将生理信号转换成电子信号供电子设备分析使用。 由于医疗设备中传输的信号都比较微弱，而且还会受到 诸多噪声源的干扰，因此信号路径设计对便携式医疗设备 就显得格外重要了。本文将针对心电图机和血糖测量仪这 两种设备应用，讨论如何将传感器与匹配的PowerWise放 大器相连接，以便延长电池寿命和提高诊疗安全性。 凰| ECCC*! 心电图机的操作原理 心电图机(ECG)可实时记录病人的心跳活动。心跳信号 是通过三个连接到病人身体的电极测量出来。图1所示为 其中一个电极输出的ECG信号，图中包含有五个测量点， 分别是Q、P、R、S、和T，这些测量点可用来诊断病人 患上心脏病的可能性。 从电极收集回来的信号处于 在400pV到最高5mV的 范围内，并在0.05Hz和100Hz下带有3dB转角频率。 这类信号一般都会受到不少的干扰，例如电极的接触噪声、 电源线路噪声(50MHz)、呼吸、肌肉活动、以及来自其他 电子器件的干扰。 ECG的信号调整 正如上述所说，ECG的信号路径必须能调理不同来源 的噪声。对抗直流电噪声，可以使用高通滤波器。然而， 最令人头痛的是50Hz的噪声，因为它刚好与我们收集的 信号频率处于相同范围。要消除这个共模噪声，需要建立 一个测量仪表放大器。 这个配置之所以很理想是因为它可在抑制共模电压的 同时放大有用的差分信号，这利于把微弱的有效信号从背 景噪声中分隔出来。正如图2所示，这个仪表放大器是用 LMP2234(四通道、微功率、高精度的RRO运算放大器) 和高精度的电阻器(0.1%)实现出来。 A1, A2, A3, A4: LMP2234 R1, R2: 2 MQ R3, R5: 40 kQ R4: 20 kQ R6, R7: 10 kQ R8, R9: 10 kQ R10, R11: 20 K3 LMP2234是用VIP50工艺技术制成，即绝缘硅 BiCMOS工艺。用这种工艺制作出来的超低功耗放大器非 常适合电池供电的低功耗应用。该工艺具有1.8到5.5V的 操作电压范围和36pA的静态电流，利于延长便携系统中 电池的寿命。LMP2234是LMP高精度放大器家族的成员， 其高阻抗CMOS输入使它成为测量仪表和其他传感器接 口应用的理想选择。 由于来自电极的信号幅度极低，放大器的直流参数便显 得很重要。LMP2234的最高偏移电压为150V（典型值为 10 V），而偏移电压漂移温度系数和偏置电流分别仅为0.3 pV/℃和±20 fA。这些高精度的严格规格使LMP2334在维 持系统常精度和长期稳定性方面有相当出色的表现。 这个测量仪表放大器包含有两个级。最后一个级（亦即 输出级）是一个差分放大器，它能够拒绝直流电平以及同时 影响两个输入的干扰和噪声电压源。由两个放大器组成的 第一级（亦即是输入级）则被配置成一个可将输入隔离的缓 冲器。 可是，基于放大器间的失配使它们彼此不能相互连接， 所以要在两个放大器之间加装平衡电阻。将两个级的增益 相乘便可得出测量仪表放大器的增益。理论上，共模抑制 比（CMPR）应该是无限大，但由于出现电阻失配，导致输出 级的非零共模增益非常小。在电路的输入级中，流经所有 电阻的电流是一样的。这都有赖于LMP2234具有高输入 阻抗和低输入偏置电流的特点。 输入信号的最大幅度仅为5mV,但为了建立增益，我 们必须考虑到电极的直流偏移电压，它有时甚至可高至 ±300mV。LMP2234的轨到轨输出可从电源电压轨摇摆至 15mV，从而增加了系统的动态范围。此外，由R10和R11 组成的偏置分压器可提供一个电压，该电压恰好等于正确 诊段病人体征所需电源电压的一半。 正如图3所示，会采用一个高通滤波器来抑制能够引致 下一个增益级饱和的直流器件。这个高通滤波器的截止频 率为0.5Hz。该滤波器采用二阶Sallen Key型的 Butterworth 拓扑技术来实现。至于第二级是一个低通滤波 器，其拥有100Hz的截止频率和100的增益，并且同样以 Sallen Key拓扑来实现。诸Sallen Key类的模拟滤波器 是围绕着有电阻器和电容器的运算放大器而建立。当中没 有采用电感器是因为它体积过大、笨重和不够完美。 C1: 1 pF R3: 5.36 kQ C2: 220 nF R4: 14.3 kQ R1: 1.24 MQ C3: 33 nF R2: 365 kQ C4: 1 pF R5: 10 kQ