電路功能與優(yōu)勢(shì)
　　測(cè)量源電流或吸電流是醫(yī)療、工業(yè)、通信和其它類型設(shè)備中廣泛使用的關(guān)鍵電路，用于激勵(lì)傳感器。驅(qū)動(dòng)脈搏血氧儀傳感器中內(nèi)部IR（紅外）和R（紅色）LED所需的源（吸）電流就是一個(gè)很好的例子。
　
　　脈搏血氧儀是一種無創(chuàng)醫(yī)療設(shè)備，用于連續(xù)測(cè)量氧飽和血紅蛋白(Hb)的百分比和病人的脈搏數(shù)。攜氧血紅蛋白（氧合血紅蛋白）吸收紅外(IR)光譜區(qū)中的光，未攜氧的血紅蛋白（脫氧血紅蛋白）則吸收可見紅(R)光。使用脈搏血氧儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，一般是將包含兩個(gè)LED（有時(shí)更多，取決于測(cè)量算法的復(fù)雜度）和一個(gè)光傳感器（光電二極管）的一個(gè)夾子夾在病人的手指或耳垂上。一個(gè)LED發(fā)射紅光（600 nm至700 nm波長），另一個(gè)LED則發(fā)射近紅外光（800 nm至900 nm波長）。夾子通過電纜與處理器單元相連。根據(jù)制造商的要求，兩個(gè)源電流分別快速并有順序地激勵(lì)相應(yīng)的LED，源電流的直流電平取決于所驅(qū)動(dòng)的LED。當(dāng)光線透過組織時(shí)，檢測(cè)器同步捕捉來自各LED的光線。
　
　　脈搏血氧儀設(shè)計(jì)所用的低功耗、精密源電流（電流流入負(fù)載）或吸電流（電流流出負(fù)載）需要提供數(shù)十毫安的電流（老產(chǎn)品為數(shù)百毫安）。這些電路中的有源元件包括低功耗精密運(yùn)算放大器、精密并聯(lián)基準(zhǔn)電壓源以及MOSFET或雙極性晶體管。為了省電，可以增加一個(gè)模擬開關(guān)，以便在待機(jī)模式下關(guān)斷源電流或吸電流。如果要求超精密設(shè)計(jì)，則可以用超精密串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源代替并聯(lián)基準(zhǔn)電壓源。
　
　　本醫(yī)療應(yīng)用采用低功耗、低成本、精密放大器ADA4505-2，它是一款出色的雙通道、10 μA、軌到軌、零交越失真器件。配合該放大器使用的精密并聯(lián)基準(zhǔn)電壓源是超低功耗、低成本、1.25 VADR1581 (A 級(jí))。模擬開關(guān)的絕佳選擇是1 Ω導(dǎo)通電阻、雙通道單刀雙擲開關(guān) ADG1636 。
　
　　當(dāng)這些器件采用5 V電源并在–40°C至+85°C工業(yè)溫度范圍工作時(shí)，其最大靜態(tài)電流如下：ADA4505-2其中的一路為15 μA；ADR1581為70 μA；ADG1636為1 μA。將這些數(shù)值相加，可知每個(gè)電路的總功耗為86 μA，符合便攜式電池供電儀器的要求。
　
　　利用低功耗、低成本放大器ADA4505-2，微功耗、低成本并聯(lián)基準(zhǔn)電壓源ADR1581，以及超低功耗單刀雙擲模擬開關(guān)ADG1636所實(shí)現(xiàn)的源（吸）電流測(cè)量，具有精密、低功耗、高性價(jià)比、靈活和PCB尺寸小等特點(diǎn)。

圖1. 利用ADA4505-2、基準(zhǔn)電壓源ADR1581和開關(guān)ADG1636實(shí)現(xiàn)脈搏血氧儀紅光與紅外源電流測(cè)量（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）

電路描述
　　圖1所示為設(shè)計(jì)示例，其中一個(gè)直流吸電流驅(qū)動(dòng)脈搏血氧儀紅光和紅外LED。這些直流吸電流分別允許10.3 mA和15.2 mA的電流流過紅光和紅外LED。
　
　　為盡可能延長電池使用時(shí)間，吸電流僅在需要時(shí)才開啟。ADG1636單刀雙擲模擬開關(guān)的一半用來將1.25 V基準(zhǔn)電壓源與各電流電路相連或斷開。
　
　　當(dāng)吸電流驅(qū)動(dòng)各自的LED時(shí)，1.25 V基準(zhǔn)電壓源ADR1581（A級(jí)）由ADA4505-2的一半緩沖。N溝道MOSFET IRLMS2002連接為源跟隨器，并且位于運(yùn)算放大器反饋環(huán)路內(nèi)。這將強(qiáng)迫電流設(shè)置電阻（121 Ω或82.5 Ω）上的電壓剛好為1.25 V，進(jìn)而將源電流中的電流設(shè)置為10.3 mA或15.2 mA。ADA4505-2實(shí)質(zhì)上起到基準(zhǔn)電壓源緩沖與電流開關(guān)控制的雙重作用。
　
　　設(shè)置各吸電流值的公式為：
　　
　　其中VREF為1.25 V基準(zhǔn)電壓，RS為121 Ω或82.5 Ω吸電流電阻，VOS 和 IB 分別為ADA4505-2的失調(diào)電壓和偏置電流。
　
　　如果我們忽略放大器的VOS和IB，以便簡化電路分析，則流過紅光或紅外LED的電流ISINK 為10.3 mA 或15.2 mA 。
　
　　將基準(zhǔn)電壓源與吸電流電阻斷開，并將此電阻接地，便可關(guān)閉吸電流。
　
　　當(dāng)吸電流開啟時(shí)，各吸電流僅開啟一定的時(shí)間，而且不會(huì)同時(shí)開啟。該時(shí)間由驅(qū)動(dòng)相應(yīng)吸電流波形的占空比設(shè)置（開關(guān)ADG1636的IN1和IN2引腳）。這些波形為脈搏波形，占空比約為25%，典型周期為1 ms (1 kHz)。這意味著，各吸電流在1 ms周期中的250 μs期間內(nèi)開啟。這些紅光和紅外吸電流的典型時(shí)序如圖2所示。

圖2. 脈搏血氧儀紅光和紅外吸電流的典型時(shí)序

　　利用此時(shí)序，可以通過下式計(jì)算兩個(gè)吸電流的總功耗：
　　
　　由此可知，以獲得脈搏血氧儀讀數(shù)所需的5 V電源供電時(shí)，總功耗小于6.5 mA。值得指出的是，上面計(jì)算的ADA4505-2、ADR1581和ADG1636組合的功耗為86 μA，這只占所需總功耗6.5 mA的1.3%。因此，這三個(gè)有源元件所增加的負(fù)載對(duì)于電池是微不足道的。
　
　　公式中的VOS誤差項(xiàng)不僅應(yīng)包括放大器的失調(diào)電壓，而且應(yīng)包括運(yùn)算放大器非理想行為所引起的所有誤差。每項(xiàng)這種誤差均應(yīng)算作折合到運(yùn)算放大器輸入端的附加VOS。通過ADA4505-2等精密放大器，所有這些誤差的總和與運(yùn)算放大器本身的失調(diào)電壓相比可以忽略不計(jì)。
　
　　ADA4505-2的最大 VOS為3 mV，這代表0.24%的吸電流誤差。同樣的道理，與紅光和紅外吸電流所需的10.3 mA和15.2 mA相比，ADA4505-2最大2 pA的IB所引起的誤差也可以視為零。
　
　　如果我們將此0.24%的VOS 誤差與ADR1581的最大初始精度0.8%和吸電流電阻容差0.1%（本設(shè)計(jì)的選擇）相加，則最差情況總誤差為1.14%，不確定性分析誤差為0.83%?，F(xiàn)在，如果我們將各相關(guān)元件（基準(zhǔn)電壓源、吸電流電阻和運(yùn)算放大器）誤差的高斯分布曲線引入此不確定性分析中，則保守預(yù)期誤差為0.28%（請(qǐng)參考Holman, J. P所著的《Experimental Methods for Engineers》第四版，McGraw-Hill，1984）。
　
　　吸電流容許的誤差取決于脈搏血氧儀讀數(shù)的精度要求。對(duì)于紅光和紅外LED，驅(qū)動(dòng)電流的精度與其輻射通量（輻射輸出功率）的精度成正比。輻射通量是對(duì)發(fā)射光所含功率的量度。因此，高LED電流精度意味著LED輻射通量的預(yù)測(cè)精度也較高。圖3顯示Hamamatsu L5276、L5586、L6286紅外LED的典型輻射通量與正向電流的關(guān)系曲線。

圖3. Hamamatsu超小型紅外LED L5276、L5586、L6286的輻射通量與正向電流的關(guān)系

　　設(shè)計(jì)中還使用了其它元件，22 pF電容用來改善放大器ADA4505-2的穩(wěn)定性（環(huán)內(nèi)補(bǔ)償）。（請(qǐng)參考ADI公司《模擬對(duì)話》雜志：“應(yīng)用工程師問答—25”。）1 kΩ反饋電阻用來限制流入放大器反相引腳的電流。與ADA4505-2輸出端串聯(lián)的22 Ω電阻有兩個(gè)作用：一是防止驅(qū)動(dòng)N-MOSFET輸入電容(Ciss)時(shí)發(fā)生振蕩，二是抑制N-MOSFET開關(guān)時(shí)的一些瞬態(tài)響應(yīng)。在具體應(yīng)用中，這些電阻和電容可能需要進(jìn)一步優(yōu)化。
　
　　表1顯示環(huán)境溫度時(shí)圖1所示設(shè)計(jì)的紅光和紅外吸電流的計(jì)算（理想）值與測(cè)量值。

　　為了使本文所討論的電路達(dá)到理想的性能，必須采用出色的布局、接地和去耦技術(shù)（請(qǐng)參考教程MT-031 和 教程MT-101）。
　
常見變化
　　本電路的一個(gè)常見變化是用DAC代替基準(zhǔn)電壓源。根據(jù)紅光與紅外LED所需的光照度，DAC提供不同的輸出電壓。ADA4505-2的一大優(yōu)勢(shì)就是作為一款零交越失真運(yùn)算放大器，其VOS在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)保持恒定。這樣，每次DAC改變輸出以產(chǎn)生不同的吸電流電平時(shí)，不必執(zhí)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。因此，當(dāng)ADA4505-2與DAC配合使用時(shí)，只需校準(zhǔn)一次。此外，因?yàn)镈AC可以輸出0 V信號(hào)，在不需要時(shí)禁用吸電流，所以還可以去掉開關(guān)ADG1636。
　
　　N溝道MOSFET IRLMS202使本設(shè)計(jì)能夠用于高達(dá)數(shù)百毫安的電流（切勿超出安全工作區(qū)，這一點(diǎn)必須特別注意）。當(dāng)電流水平在數(shù)十毫安時(shí)，則可以使用可靠且具成本效益的N溝道MOSFET BSS138。
　
　　如果整體設(shè)計(jì)的精度和溫度漂移要求嚴(yán)苛，請(qǐng)使用更精確、溫度系數(shù)漂移更低的基準(zhǔn)電壓源，例如：高精度串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源ADR127 ，或者ADR1581的更高精度B級(jí)產(chǎn)品ADR1581 (B 級(jí))；對(duì)于吸電流電阻應(yīng)選擇容差更小的低溫度漂移產(chǎn)品；并且應(yīng)選擇VOS極低的精密放大器，例如自穩(wěn)零（零漂移）AD8629 （2.7 V至5 V）或OP07D （8 V至36 V）。
　
　　如果吸電流精度要求不高，根據(jù)整體設(shè)計(jì)容差要求，可以使用通用型高性價(jià)比運(yùn)算放大器。AD8515（1.8 V至5 V）、AD8542（2.7 V至5.5 V）、AD8529（2.7 V至12 V）、AD8566（4.5 V至16 V）和OP275（9 V至44 V）均是很好的例子。