電路功能與優勢
　　測量源電流或吸電流是醫療、工業、通信和其它類型設備中廣泛使用的關鍵電路，用于激勵傳感器。驅動脈搏血氧儀傳感器中內部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醫療設備，用于連續測量氧飽和血紅蛋白(Hb)的百分比和病人的脈搏數。攜氧血紅蛋白（氧合血紅蛋白）吸收紅外(IR)光譜區中的光，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發射紅光（600 nm至700 nm波長），另一個LED則發射近紅外光（800 nm至900 nm波長）。夾子通過電纜與處理器單元相連。根據制造商的要求，兩個源電流分別快速并有順序地激勵相應的LED，源電流的直流電平取決于所驅動的LED。當光線透過組織時，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）需要提供數十毫安的電流（老產品為數百毫安）。這些電路中的有源元件包括低功耗精密運算放大器、精密并聯基準電壓源以及MOSFET或雙極性晶體管。為了省電，可以增加一個模擬開關，以便在待機模式下關斷源電流或吸電流。如果要求超精密設計，則可以用超精密串聯基準電壓源代替并聯基準電壓源。
　
　　本醫療應用采用低功耗、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基準電壓源是超低功耗、低成本、1.25 VADR1581 (A 級)。模擬開關的絕佳選擇是1 Ω導通電阻、雙通道單刀雙擲開關 ADG1636 。
　
　　當這些器件采用5 V電源并在–40°C至+85°C工業溫度范圍工作時，其最大靜態電流如下：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、低成本并聯基準電壓源ADR1581，以及超低功耗單刀雙擲模擬開關ADG1636所實現的源（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、基準電壓源ADR1581和開關ADG1636實現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所示為設計示例，其中一個直流吸電流驅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單刀雙擲模擬開關的一半用來將1.25 V基準電壓源與各電流電路相連或斷開。
　
　　當吸電流驅動各自的LED時，1.25 V基準電壓源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路內。這將強迫電流設置電阻（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置為10.3 mA或15.2 mA。ADA4505-2實質上起到基準電壓源緩沖與電流開關控制的雙重作用。
　
　　設置各吸電流值的公式為：
　　
　　其中VREF為1.25 V基準電壓，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 。
　
　　將基準電壓源與吸電流電阻斷開，并將此電阻接地，便可關閉吸電流。
　
　　當吸電流開啟時，各吸電流僅開啟一定的時間，而且不會同時開啟。該時間由驅動相應吸電流波形的占空比設置（開關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誤差項不僅應包括放大器的失調電壓，而且應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%。現在，如果我們將各相關元件（基準電壓源、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的精度要求。對于紅光和紅外LED，驅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系

　　設計中還使用了其它元件，22 pF電容用來改善放大器ADA4505-2的穩定性（環內補償）。（請參考ADI公司《模擬對話》雜志：“應用工程師問答—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輸出端串聯的22 Ω電阻有兩個作用：一是防止驅動N-MOSFET輸入電容(Ciss)時發生振蕩，二是抑制N-MOSFET開關時的一些瞬態響應。在具體應用中，這些電阻和電容可能需要進一步優化。
　
　　表1顯示環境溫度時圖1所示設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（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代替基準電壓源。根據紅光與紅外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保持恒定。這樣，每次DAC改變輸出以產生不同的吸電流電平時，不必執行系統校準。因此，當ADA4505-2與DAC配合使用時，只需校準一次。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ADG1636。
　
　　N溝道MOSFET IRLMS202使本設計能夠用于高達數百毫安的電流（切勿超出安全工作區，這一點必須特別注意）。當電流水平在數十毫安時，則可以使用可靠且具成本效益的N溝道MOSFET BSS138。
　
　　如果整體設計的精度和溫度漂移要求嚴苛，請使用更精確、溫度系數漂移更低的基準電壓源，例如：高精度串聯基準電壓源ADR127 ，或者ADR1581的更高精度B級產品ADR1581 (B 級)；對于吸電流電阻應選擇容差更小的低溫度漂移產品；并且應選擇VOS極低的精密放大器，例如自穩零（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，根據整體設計容差要求，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。