電路功能與優(yōu)勢
　　測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,，用于激勵傳感器。驅(qū)動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,。使用脈搏血氧儀進行測量時，一般是將包含兩個LED（有時更多,，取決于測量算法的復(fù)雜度）和一個光傳感器（光電二極管）的一個夾子夾在病人的手指或耳垂上,。一個LED發(fā)射紅光（600 nm至700 nm波長），另一個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，兩個源電流分別快速并有順序地激勵相應(yīng)的LED,，源電流的直流電平取決于所驅(qū)動的LED,。當(dāng)光線透過組織時，檢測器同步捕捉來自各LED的光線,。
　
　　脈搏血氧儀設(shè)計所用的低功耗,、精密源電流（電流流入負載）或吸電流（電流流出負載）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，可以增加一個模擬開關(guān),，以便在待機模式下關(guān)斷源電流或吸電流,。如果要求超精密設(shè)計，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),。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,，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所實現(xiàn)的源（吸）電流測量，具有精密,、低功耗,、高性價比、靈活和PCB尺寸小等特點,。

圖1. 利用ADA4505-2,、基準(zhǔn)電壓源ADR1581和開關(guān)ADG1636實現(xiàn)脈搏血氧儀紅光與紅外源電流測量（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)計示例，其中一個直流吸電流驅(qū)動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間，吸電流僅在需要時才開啟,。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)動各自的LED時，1.25 V基準(zhǔn)電壓源ADR1581（A級）由ADA4505-2的一半緩沖,。N溝道MOSFET IRLMS2002連接為源跟隨器,，并且位于運算放大器反饋環(huán)路內(nèi)。這將強迫電流設(shè)置電阻（121 Ω或82.5 Ω）上的電壓剛好為1.25 V,，進而將源電流中的電流設(shè)置為10.3 mA或15.2 mA,。ADA4505-2實質(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,，各吸電流僅開啟一定的時間,，而且不會同時開啟。該時間由驅(qū)動相應(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序

　　利用此時序,，可以通過下式計算兩個吸電流的總功耗：
　　
　　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,，總功耗小于6.5 mA,。值得指出的是，上面計算的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,，這三個有源元件所增加的負載對于電池是微不足道的,。
　
　　公式中的VOS誤差項不僅應(yīng)包括放大器的失調(diào)電壓，而且應(yīng)包括運算放大器非理想行為所引起的所有誤差,。每項這種誤差均應(yīng)算作折合到運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算放大器本身的失調(diào)電壓相比可以忽略不計,。
　
　　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。對于紅光和紅外LED,，驅(qū)動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)補償）。（請參考ADI公司《模擬對話》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電阻有兩個作用：一是防止驅(qū)動N-MOSFET輸入電容(Ciss)時發(fā)生振蕩，二是抑制N-MOSFET開關(guān)時的一些瞬態(tài)響應(yīng),。在具體應(yīng)用中,，這些電阻和電容可能需要進一步優(yōu)化。
　
　　表1顯示環(huán)境溫度時圖1所示設(shè)計的紅光和紅外吸電流的計算（理想）值與測量值,。

　　為了使本文所討論的電路達到理想的性能,，必須采用出色的布局、接地和去耦技術(shù)（請參考教程MT-031 和 教程MT-101）,。
　
常見變化
　　本電路的一個常見變化是用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)勢就是作為一款零交越失真運算放大器,，其VOS在整個輸入電壓范圍內(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,，不必執(zhí)行系統(tǒng)校準(zhǔn),。因此，當(dāng)ADA4505-2與DAC配合使用時,，只需校準(zhǔn)一次,。此外，因為DAC可以輸出0 V信號,，在不需要時禁用吸電流,，所以還可以去掉開關(guān)ADG1636。
　
　　N溝道MOSFET IRLMS202使本設(shè)計能夠用于高達數(shù)百毫安的電流（切勿超出安全工作區(qū),，這一點必須特別注意）。當(dāng)電流水平在數(shù)十毫安時,，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)計的精度和溫度漂移要求嚴苛，請使用更精確,、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級產(chǎn)品ADR1581 (B 級),；對于吸電流電阻應(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)計容差要求，可以使用通用型高性價比運算放大器,。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,。