致力于开发医疗诊断设备公司正面临着一项挑战，亦即为消费者提供多功能而售价合宜的产品。现今的人口老化问题日趋严重，在降低护理成本和改善病人护理方面，最重要的要求就是能减少这些医疗工具的体积和提高精确度。从IMS调查公司的InMedica报告来看，消费类医疗设备的销售总值到2011年时，预计会超过50亿美元。

医疗设备功能的不断改善，远程护理供货商能够更加针对人们健康的几个主要范畴，为居家病人、急诊室救护员以至医院提供更佳的诊断工具。至于监视类的仪器，从血压计以至血糖仪(glucose meter)和电击器(defibrillator)等，都需要清晰的模拟讯号以进行准确的测量，否则便可能危及病人生命。一个设计良好的模拟讯号路径可帮助设计人员克服多种的挑战，包括降低外来噪声的干扰、扩宽动态范围和加强精确度。此外，在组件的选择方面，设计人员亦必须小心谨慎，才能符合产品所要求的严格标准。

小封装发挥大功效

在此之前，医院和诊所的医疗设备一向被认为是比家用的可携式仪器更为精确。但新的趋势现正迅速打破这个窠臼。现今的家用仪器不单只针对一般的消费者，同时也考虑到了解科技应用的病患，他们不会仅满足于测量温度和心脏血压，而是考虑多方面的护理及测量功能。

为了配合人们对家用医疗诊断仪器的急遽需求，这些设备的供货商正凭借尖端的存货管理和创新设计来增强竞争力，并让产品具备更多功能。在开发家用医疗仪器的领域内，一个重要的因素是产品从最初设计到真正投入市场所需要的开发时间。缩短上市时间，可协助厂商的产品抢占市场；而能否将开发周期缩短，便取决于系统设计人员的设计是否够灵活和具成本效益。

影响设计的制程技术

虽然电气规格是设计人员选择组件的主要因素，但用来制造集成电路的制程亦同样重要。例如，典型的血糖计均需配合一个带有极低输入偏压电流的运算放大器，而大多数的设计人员都会选用JFET放大器，但在作出决定前应考虑有关温度的问题。

由于JFET拥有一个很低的初始输入偏压，因此它很易受到温度变化的影响，而每上升10°C ，输入偏压便会大约增加一倍。要计算出输入偏压的漂移，可使用下列的算式(公式一)。

《公式一 Ib(T) Ib(T0) x 2(T-T0)/10 》

例如一个JFET输入运算放大器(NS的LF411)在25 °C下的输入偏压电流为50pA，而NS的LMP7731是一个更佳的选择，它是一款双极输入运算放大器，其输入偏压电流为1.5nA。透过上述的算式，可以很快地计算出在85°C下，LF411的输入偏压电流变成3.2nA，超出LMP7731的两倍。

评估系统的取舍

速度、噪声和功耗对于设计来说同样重要，一个低噪声装置会消耗比较多的电流，而一个低功耗的装置则仅提供有限的带宽。克服这个问题的方法是在适当的应用中使用反补偿放大器。与单位增益稳定和速度较高的对手比较，反补偿放大器的优点除了成本较低之外，也可在不影响功耗的情况下提供较大的带宽。

反补偿运算放大器最适合使用在电流-电压转换（转阻）电路。在医疗仪器中，其中一个最普遍的应用是测量血细胞中的含氧量，称为SPO2或饱和或外围氧气。图一所示为SPO2模块的方块图，当中的反补偿放大器(TIA)目的是将来自光电二极管的电流转化成电压。

《图一 SPO2模块的典型方块图》

利用快捷方式缩短设计时间

噪声是医疗仪器中最重要的参数之一，它会导致电路本身和旁边的设备产生严重的干扰。计算噪声是一项比较沉闷的工作，尤其是要计算出讯号路径对讯号/噪声比的整体影响时，包括了电源、放大器、数据转换器以外的组件。

一般说来，医疗仪器电路都倾向采用较低的频率运作，因此这些系统的设计人员通常会比较关心处于0.1到10Hz频带以内的噪声，亦称为峰值至峰值噪声。但不幸地，有些数据表并没有提供时域噪声（峰值到峰值, peak-to-peak）的数据，而只提供电压或电流噪声密度的典型图表。除了等待电路的供货商提供测量数据外，有一个快速的方法可帮助推算出峰值至峰值的噪声量。

假设用户打算利用NS的LMP7731来推算峰值到峰值(0.1到10Hz)电压的噪声量。首先在指定频带内的频率范围中选择出一个点，例如是1Hz，对比曲线时的数值便是5.1nV/√Hz（图二），然后用下列的算式来计算噪声的均方根(Root Mean Square, RMS)：

《公式二 enrms=enf√ln(10/0.1), 当中 enf 是在 1Hz 下的噪声》

《图二 LMP7731的输入电压噪声与频率的关系》

透过以上的算式可得出10.9nV的总根均方值噪声，如要计算出峰值到峰值噪声，只需将此根均方值乘以6.6，便可得出72.2nV。这个估算的结果很不错，它与数据表中列出的规格78nV很接近。

假如数据表中的电压噪声密度图没有表示在1Hz下的噪声值，便可采用下列简单的方程序(公式二)来推算某频率下的数值。

《公式三 en=enb*√(fce/f)》

当中enb是宽带噪声（通常是在1kHz时的数值），而fce 是1/f转点，至于f是所关注的频率，在此个案为1Hz。

举例而言，NS的LMV851在10kHz下的宽带噪声为10nV/√Hz。为了计算出均方根值噪声，首先要从图表决定出1/f转点(fce)的数值。方法是使用数据表中的电压噪声密度图，便可找到fce大约等于300Hz。之后，采用以上的算式便可计算出en=10*√(300/1)=173nV√Hz，而这便是在1Hz下的电压噪声，最后将此数值代入算式1中并将结果乘以6.6，便得出2.4μV的峰值到峰值噪声量。

另一个需要考虑的是电流噪声。一般来说，假如电源的阻抗不是很大(>100kΩ)，可以在不理会电流噪声的情形下仍可获得一个很接近的推算结果，正如上述例子一般。但如果电源的阻抗很大，必须使用相同的技巧来推算电流噪声，并且将电压和电流噪声以均方根值的形式相加。

决定速度上的要求

正如运算放大器的噪声对ADC的分辨率的重要，带宽对维持系统的精确度亦同样重要。为了将误差限制在1/2个最低有效位(LSB)，有需要进行快速的检查以决定放大器的带宽是否足够。除了使用复杂和冗长的引导外，还可以使用模拟/数字转换器的分辨率来迅速推算出结果。方法是使用1/2(N/2)并且将结果乘以-3dB时的放大器频率。

透过以上的快捷方式和一个14位的ADC，这例子表示出feff= 0.007813*f-3dB。对于图三中可配置增益为10的运算放大器(LMP7711)，在-3dB时的频率为1.7MHz。这表示最大带宽(处于1/2个LSB误差)等于0.007813*1.7E6=13.3kHz。

《图三 可携式心电图仪 的方块图》 - BigPic:611x215

监视装置和通讯装置

大多数较新的医疗诊断仪器都设有无线通信功能。现代的心电图仪(EKG或ECG)都可透过 PDA或其他的计算机外设设备，将病人的数据于数分钟内传送到诊所或医院。除了无线数据传输所带来的好处，这类设备的缺点就是会对医疗装置构成严重的干扰，使读数出现错误。

为了避免这种干扰，便必须采用滤波器。但加入滤波器不单会扩大设备的体积，而且还会增加设计的成本。一个比较符合经济效益和快捷的方法是使用可以抑制调频(RF)噪声的组件（包括滤波器）。

总结

现今医疗设备业的趋势是为消费者提供更高价值的产品，即为价廉物美而且能够迅速提供诊断结果的家用护理仪器。随着技术不断进步，将会有更多的医疗设备透过计算机把数据实时从病人的住所传送到诊所。此外，随着用户要求更多的功能，可携式医疗设备的精确度要求将进一步提高以达到更准确的诊断，而这些全都依赖设计人员不断的创新、长期开发和对全面解决方案所作出的承诺。

参考数据:

1. Sergio Franco, Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits, (New York: McGraw-Hill, 1998)

2. Walter Bacharowski, “Decompensating amplifiers improve performance,” Electronic Design News (EDN), December 3, 2007.