Giriş: Neden Tıbbi Aletde Gerç Maddeler

Tıbbi enstrümantasyon olağanüstü hassas ve güvenilirlik talep eder. ECG monitörleri, kan şekeri sensörleri ve implant edilebilir cihazlar, mikrovolta düzeyinde hatalar bile yanlış teşhis verileri veya uzlaşma hasta güvenliği talep edebilir. Buffer devreleri - alt elektronikten hassas sensörleri izole eden gerilim takipçileri - bu makaledeki kritik bir binayı kısaltmak, operasyonel yükselteç (op-amp) kendi başına katkıda bulunan dengeleme geriliminin minileştirilmesidir. Kötü seçilmiş bir op-amp veya tasarım, temelsel hataların ortaya çıkmasını sağlar.

Offset gerilim ve Kaynağını Anlamak

Giriş dengeleme gerilimi (V)OS) sıfır olarak tanımlanır; gerçek cihazlarda, sıfır voltlara kadar çıktıya kadar herhangi bir şekilde şarj edilebilir olmayan bir bağlantıdan oluşur.

Anahtar Katkıcıları Offset Gerilmeye

  • [FONT=0)Input stage yanlış bir şekilde: [Dönetici: [Dönetici] [Dönetici] [Dönemli ve V[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜye Olmayanlar) veya V[DÜDÜŞÜŞÜŞÜŞÜŞÜŞÜŞÜŞÜye Olmayanlar[Üye Olmayanlar[Üye Olmayanlar)
  • [FONT:0]Temperature sürüklenme:[Dönetici: [Dönetici: 0,1][/FONT) Sıcaklık ile Offset değişiklikleri (tipik olarak 0.1-10 μV/°C), geniş bir sıcaklık aralığına göre çalışmalıdır.
  • [FONT:0) Zamanlı sürüklenme (ing): [Dönetici: [Dönetici: 1] Yıllar boyunca, malzemenin stres ve oksit bozulması nedeniyle dengelenebilir.
  • [FONT:0)Power tedarik reddedilmesi (PSR): Tedarik gerilimindeki Variations, özellikle düşük frekanslı ripple ile dengeyi modül edebilir.
  • [FONT:0]Common-mode etkiler:[Dönetici:[Dönder: 1 ) Girişte yapılan değişiklikler önyargı puanlarını değiştirebilir ve kötü dengeyi kötüleştirebilir.

Tıbbi tampon devrelerde, sensör yetersizlik yüksek olabilir (örneğin, ECG için kuru elektrotlar), giriş noktasının başka bir önemli hata kaynağının düşük yanlısı, düşük önyargılı akım, düşük çözünürlükte “dönüşümlü gerilim” değildir.

Low-Offset Buffering için Doğru Op-Amp'yı seçin

Tüm afamplar performans dengelemek için eşit değildir. Tıbbi hassasiyet uygulamaları için tasarımcılar genellikle üç aile arasında seçim yapar: chopper-stabilized (zero-drift) yükselteçler, auto-zero (kontinly-time auto-zero) yükselticiler ve yüksek çözünürlükte bipolar yükselteçler.

Evaluate için Anahtar Parametreleri

  • Giriş dengeleme gerilimi (V)OS)): 10 μV'nin altındaki değerlere bakın; kritik kanallar için ideal olarak 1-5 μV aralığında.
  • Offset sürüklenmek: ≤0.05 μV/°C için vücut ısısından çevre varyasyonlarına kadar istikrarlı performans sağlamak.
  • Giriş önyargısı mevcut: Yüksek ışınlayıcılar için (100 kULL ila 10 MULL), 100 pA'nın altında mevcut önyargı ile bir af-amp seçin.
  • Gürültü: DC'de 1/f gürültü baskındır; chopper yükselteçleri elde edebilir:0)p-p[Dönetici: 1) 0.1-10 Hz bandında.
  • Güç tedariki geri ödeme oranı (PSR) ve ortak nokta reddedilme oranı (CMRR): >100 dB, line-freze müdahalesini ve batarya varyasyonlarını reddetmesi arzu edilir.
  • Supply voltaj aralığı: Mevcut rayları (örneğin, ±2.5 V ila ±15 V) ve gerekli çıktıyı desteklemek.

Önerilen OpAmp Aileleri

  • [FONT=0)Chopper-stabilized (zero-drift) yükselteçleri:[Dönetici: · 1 μV, 2.55 μV / °C) ve eğimli modüller içerir.()Linear Technology LTC2057[ AD8638[D][D][D][/FONT][/FONT][/FONT=D][/FONT=D)[D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D=D][/FONT=D=D=D)
  • [FONT=0)Auto-zero yükselteçleri: ±0.3 μV ve 0.015 μV/°C sürüklenmesi için benzer bir seçimdir.
  • [FONT=0)Öyleçleyici bipolar yükselteçler:[DÜDÜDÜSÜSTRİYESİ:0)[Üye Olmayanlar İçin Tıklayınız.[DÜye Olmayanlar İçin Tıklayınız.[DÜyeler)[DÜyeler) [DÜyeler: 4 )

Bataryalı giyilebilir tıbbi cihazlar için, mevcut 750 μA gibi düşük güç seçenekleri için.(V) (V)OS) ±3 μV, mevcut 750 μA) iyi bir denge sağlar.

Low-Offset Buffer Devre Topolojisini Tasarlamak

En basit tampon bir gerilim takipleyicidir: sensör sinyali, giriş olmayan girişlere bağlanır ve çıkış giriş çıkış tekrar tekrar inverting girdi.Bu yapılandırma, birliğe son derece yüksek giriş engel sağlar ve düşük çıktı kesintiye uğrar - sensör doğruluğunu korumak için.

Gerilim Takipçi Konsülü

[[Düzücük tasarım: [Dönetici: 0,0] Sensörin dışsal olmayan bir pin (+IN) Doğrudan bir kısa (veya sıfır-dakırda direnç ve pin (-ya da) arasındaki hız, yüksek çözünürlükte gerilimin yüksek oranda sıkıştırılması durumunda, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bir çözünürlükte (veya yüksek çözünürlükte) yüksek çözünürlükte (veya yüksek çözünürlükte) anlamına gelir.

Offset Trim ve Biasing

Herhangi bir oturma alanını kabul edemeyen tasarımlar için, dış bir devre eklenebilir. Çoğu hassas af-amps, dengelemek için pins 1, 5 ve 8 klasik OP-07). Örneğin, DAC çıkışının otomatik veya uzun vadeli bir stabilite sağlaması gereken tıbbi cihazlar arasında güçlü bir gerilime neden olabilir.

Driven Shield ve Guard Ring

Sensör yüksek oranda kesintiye uğramak (örneğin, 10 MULL'yi kuru bir elektrottan koruyor), PCB'den bile fotokoampere sızıntı akımları önemli gerilim hatalarına neden olabilir. Bir birlik tarafından tahrik edilen bir koruma yüzüğü, giriş veya sızıntının aynı veya ikinci bir af-amp) ile aynı gerilim potansiyelini korur, girişin akışını önlemek için, bu teknik özellikle çok kanallık tıbbi ön uçları önlemek için önemlidir.

Tıbbi Aletleme için Seçme ve Layout

Oturun ötesinde, her pasif bileşen ve PCB izi, Net dengeleme ve gürültüyü etkiler. IEC 60601-1 gibi Tıbbi standartlar, bileşen seçimine ek güvenlik ve güvenilirlik gereksinimleri getirir.

Eleştirel Pasif Bileşenleri

  • [FONT:0)Resistörler: [Döneticiler: [Döneticiler:0) Düşük sıcaklık katla (≤25 ppm/°C) ve sıkı tolerans (% 0.1 veya daha iyi) herhangi bir gerilim-divider ağlarında en aza indirmek için (eğer eklediyse) dış dirençlere ihtiyaç duyulmaz, ancak bir aşama gerekliyse, maçor oranları tam olarak karşılanır.
  • [FONT:0]Kaptancılar: [Döneticiler: [Döneticiler: 0,3|Dökezleyiciler için [Döncüler) paktlı kablolar gibi şarjlara yakın olmalıdır. X7R veya C0G dielektrikler, yükleri ve ısıtıcılar için tercih edilir.
  • [FONT:0]Inductors ve ferrite beads:[Dönetici: 0,2] Kablosuz tıbbi cihazlar için, ferrite beads on the Supply line can press high-freze in the op-amp input.

PCB Layout Teknikleri Low Offsetset

  • [FONT:0]Star-grounding:[Dönetici:[Dönetici:[Döncük:[Döncük: 0) Dijital zeminden ayrı analog zemin ve onları tek bir noktada (veya çok katmanlı tahtalarda düşük bir bölme).
  • [FONT:0)Guard halkaları: [Dön ve alt katmanlarda, aynı gerilim tarafından yönlendirilen bir izle yüksek içe giriş düğümleri çevreleyen (birliğe girişli bir tamponla) Bu, yüzey sızıntı akımlarını azaltır.
  • [FONT:0)Kalp izlerini takip etmek:[Dönetici:[Dönetici:0)) Geri bildirim yolunu kısa ve doğrudan tutmak; yüksek frekanslı saatlere veya geçiş düzenleyicilerine yakın çıkmaktan kaçın.
  • [FONT:0] ⁇ yönetimi:[Dönetici:[Dönetici: [Dönetici: [Dönetici: [Dönetici: [Dönetici: [Dönetici: [Dönetici: 0:0) Paragraf düzenleyicileri veya güç transistörleri gibi sıcak bileşenlerden uzak durarak sıcaklık gradientler tarafından neden edilen dengeyi azaltmak için.
  • [FONT:0)Isolation:[Dönetici: [Dönetici: 0,2] Hastaya bağlı devreler için (ECG, defibrilatör koruması), tıbbi-grad izolasyonu (örneğin, kapasitör veya dönüştürücü izolasyon) içerir.

Test, Kalibrasyon ve Uyum

Buffer devre oluşturulduktan sonra, kapsamlı testler, tıbbi kullanım için düşük başlangıç gerekliliklerini yerine getirir. Standart karakterizasyon, belirtilen sıcaklık aralığına (örneğin, 0°C'ye 0.10C veya 15°C'ye) yüklenerek 1000C'ye kadar 1000C'ye kadar, 1000 saate kadar stabilite içerir.

Offset ölçüm Prosedür Prosedürü

  1. A gerilim takipçisi olarak af-ampı yapılandırın. Düşük bir kesintili bağlantı ile analog zemine girişin Kısa.
  2. Hassas bir voltmeter ile çıkış gerilimi ölçül (örneğin, 6.5-digit multimeter veya ADS124S08) gibi 24-bit ADC. Ölçülü gerilim toplam dengedir:0)[DÜT:0).
  3. 25°C, 10°C ve 0.10C'de kaydedilen değerler, sürüklenmek için.
  4. Doğmamış veya oto-zero yükselteçleri için, yarılma dalgalarının kabul edilebilir sınırları içinde olduğunu doğrulamak için bir oscilloskop üzerinde çıkış dalgasını yakalamak (tipik olarak akıp giden:0)p-p<10 µV) gerekirse, post-filter zaman sabitini artırmak.

Kalibrasyon Stratejileri

  • [FONT:0]Software trim:[Dönetici:0) Üretimde dengeyi ölçüyor, onsuz hafızada değeri depolayın ve ADC okumasından dijital olarak çıkarın.
  • [FONT=0)Auto-calibration döngüsü:[DDDK:1] Bir hassas gerilim referansını kullanın ve bir DAC'nin buffer'in giriş yolunda düzeltme gerilimi enjekte etmek için periyodik olarak (örneğin, her güç veya her saat) yapılır.
  • [FONT:0)Chopper doğal null:[Dönetici: 0,4][0}[0] Belirli ölçüm kanalları için 1 μV'nin altında olması gerekli olmayabilir.

Tıbbi Standartlar ile Uyum

Tıbbi enstrümantasyon IEC 60601-1 (genel güvenlik) ve IEC 60601-1-2 (EMC) tampon devreler için, anahtar testleri şunları içerir:

  • [FONT=0) Mevcut:[[Dönetici:[Dönetici:0))Hasta bağlı girişlerin 10 μA (Type BF) veya 100 μA (Type B) altında sızıntı yapması gerekir.
  • [FONT:0)Electrostatik deşarj (ESD): ), yerleşik ESD koruması (örneğin, 4 kV HBM) ve dış koruma cihazları (TVS diyotları veya kıvılcım boşlukları) ile ilgili olarak, sensör girişinin yanıltıcırilatör pulsiyonunu kullanın.
  • [FONT=0] Radyo-fren bağışıklık: [Dönetici:[Dönetici] Ortak-mode chokes ve ferrite beads in the input cable; doğru ki buffer'in çıktısı düşük frekanslı dengeleme hatalarına karşı demodulate RF müdahalesi yapmaz.

Güvenilirlik için tasarım ayrıca, af-amp'ın çıkış sürüş kapasitesinin uzun bir kalkanlı kablo sürmesi gerektiğini göz önünde bulundurmaktadır (hastalık ortamında gerekli olan bir seri).

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Düşük bir tampon devre, doğru tıbbi enstrümantasyon için temel bir yapı bloğudur.A düşük seviyeli atrovolt dengeleme ve düşük kaymalar ile - örneğin chopper-stabilized veya oto-zero türleri - ve ESD korumayı kullanarak, mühendisler ECG için gerekli olan hassaslığı elde edebilir, EEG, biyosensor ve implantatif uygulamalar için daha fazla performans sağlar. Tasarım ayrıca doğru izolasyon, kontrol yoluyla sağlanmalıdır.

Daha fazla okuma için, önde gelen yarı iletken üreticilerden gelen notları başvuru notları için, örneğin:0)Analog Cihazlarının “Auto-Zero Amplifiers: Unique Features”) ve [[D:2)Texas Instruments'ın “Op Amp Offsetfer ve Drift” [DDDDD)[Döneticileri temel olarak hassas afüz mekanizmalarına ve tıbbi bağlamdaki pratik sınırlamaları daha derin bir anlayış sağlar.