全自動生化分析儀吸光度測量的對數放大電路設計

2012-09-26 00:16:26劉晶晶

電子設計工程 2012年22期

王直，劉晶晶

（江蘇科技大學江蘇鎮江 212003）

近幾十年來，隨著科學技術尤其是醫學技術的發展，各種生化分析儀器也取得了飛速的發展[1]。生化分析儀是用來對人體的血液、尿液等體液中各種生化成分進行定量檢測和分析的儀器。人體體液的生化指標在臨床疾病診斷和治療上具有重要的參考價值，是臨床的重要參考資料。而對各種化學成分進行分析，首先就是測量待測液的吸光度，因此吸光度測量環節對檢測結果的準確性有極其重要的影響。文中著重闡述了采用對數放大電路的設計來求得吸光度，該設計同時也便降低了整個系統設計中軟件的負荷。

全自動生化分析儀，是基于物質對光的選擇性吸收即分光光度法開發的一種分析儀器，以朗伯-比爾定律為測量原理。朗伯-比爾定律[2]表達式如下：

上式表明，當特定波長的單色光通過溶液時，樣品的吸光度與溶液中吸收物濃度和光通過的距離成證比。自動生化分析儀就是通過檢測樣品對某種單色光的吸收程度，以及反應過程中吸光度的變化來計算樣品中待測成份的含量。

通過光強獲得溶液吸光度，常用的有兩種方法：一種是直接測量光強，然后在數據處理中通過對數計算公式計算出吸光度；另一種是采用對數放大電路，將光強信號直接轉換為吸光度信號，然后再由數據采集系統進行A/D轉換和數據處理。第二種方法中，通過對數放大電路將測得的光信號直接轉換為吸光度，可以簡化A/D轉換電路的設計，并降低對A/D轉換電路位數的要求。本文介紹兩種利用晶體管對數特性設計的測量吸光度的對數放大電路。并通過實驗證明，兩種電路都能較好地完成其對數放大功能，而利用芯片log114搭建的電路運算精度更高，能夠在醫療器械中得到廣泛的應用。

1 放大器電路工作原理

對數放大器的基本原理就是利用半導體PN結的伏安特性，實現對數運算，其電路如圖1所示。在一定條件下，集電極電流ic與基-射極電壓VBE之間具有較為精確的對數關系[3]。

圖1 對數放大器原理圖Fig.1 Principle diagram of logarithmic amplifier

圖1中，利用理想運算放大器的虛地概念，可得：半導體三極管T的ic～VBE關系為：

可得：

從式（4）可得出，輸出電壓Vo和輸入電壓Vs成對數關系。

由于半導體三極管對溫度的變化極其敏感，所以圖1的電路并不能得到真正的應用。為了避免溫度變化造成的影響，使用溫度特性相同的三極管對來補償溫度變化對對數放大器造成的影響。

2 分立元件的對數放大電路

分立元件的對數放大電路[4]的工作原理如圖2所示。該電路中主要使用了兩片高精度OP07和三級管對LM394。后者是在一個硅片上在同樣條件下用相同工藝制造出的三極管對，因此具有完全相同的溫度特性。其中，2個三極管的基—射極電壓VBE的計算公式為：

式中，IC—集電極電流，IS—反向飽和電流，VL點電壓的計算公式為：

由圖2可知，

圖2 分立元件的對數放大電路Fig.2 Logarithmic amplifier circuit based on discrete components

因為QB1和QB2是LM394的一個三極管對，特性完全相同，所以 VT1=VT2=VT，IS1=IS2=IS，那么上式簡化為：

由圖2可知，

將式（7）式代入式（9），得到：

由式（11）可知，輸出電壓與輸入電壓成對數關系，并且可以補償三級管的溫度影響。R3選用正溫度系數的電阻，還可以補償VT的溫度變化。

3 log114對數放大電路

Log114是一款由2個對放大器（由A1和A2及2個光電二極管）、一個差分放大器A3、2個獨立的運算放大器集成于一個芯片構成的直流高速度、高精度對數放大器。圖3是log114用于測量吸光度的原理圖[5]。

圖3 log114對數放大電路原理圖Fig.3 Principle diagram of log114 logarithmic amplifier circuit

圖3中，D1接收透過比色杯的透射光，D2接收入射光。

Log114的對數表達式為：

與log114芯片對數放大電路相比，分立元件的參數均為離散分布，元件精度不一，因此用分立元件設計的對數放大電路其精度及動態范圍等指標都具有局限性。因此芯片制造商生產的專用對數放大芯片或器件，相比之下更能達到較高的精度和動態范圍。這里我們選用TI公司的精密高速對數放大器log114完成對數放大電路的設計。如圖4所示。

圖4 log114對數放大電路圖Fig.4 log114 logarithmic amplifier circuit

圖3中的電路集成在同一個芯片上，采用相同的半導體制造工藝，因此各元器件和電路的溫度特性相同。元器件離散分布的參數更容易控制，所以能夠達到更高的精度。內置的兩個通用運算放大器可以用于信號放大、量程遷移等用途，從而進一步簡化了電路的設計，縮減了電路的面積。

Log114是專用于放大光網絡通信系統（ONET）中光纖線纜輸出的光電二極管信號。它不僅可用于工業與醫療光學密度/吸收率測量，還能壓縮ADC前端的高動態范圍信號。因此log114可以與光電二極管等光電器件直接相連使用[6]。

4 實驗結果

對圖2的電路和圖4電路分別進行測試。在對數放大器輸入端加給定電壓，在輸出端測量對數放大器的輸出。電路2的測試結果如表1所示，關系曲線如圖5所示。

表1 圖1實驗結果Tab.1 The result of Fig.1

圖5 圖2電路關系曲線Fig.5 Relation curve of Fig.2 circuit

由關系曲線計算求得擬合曲線的表達式為：

標準偏差SD=0.047 85。

如下所示，表2和圖6為圖4實驗數據與關系曲線圖。經過擬合得到關系表達式為：標準偏差：SD=0.001 19

表2 圖4實驗結果Tab.2 Result of Fig.4

5 結論

上述實驗數據及關系曲線表明，圖2和圖4所示兩種電路在給定的測量范圍內均能很好地完成對數運算。由擬和曲線可以看出，由圖4對數放大器設計的放大電路，進行對數運算具有更高的精度，與數據手冊給出的表達式基本一致。所以將圖4中的對數放大電路用于生化分析儀，可以實現高精度運算，確保生化分析儀測量結果的準確性、可靠性。

圖6 圖4電路關系曲線Fig.6 Relation curve of Fig.4 circuit

[1]王楚華.基于ARM7的半自動生化分析儀的研究和設計[D].鎮江：江蘇大學，2009.

[2]喬艷紅.全自動生化分析儀電子系統的研究與設計[D].濟南：山東大學，2011.

[3]康華光.電子技術基礎[M].5版.北京：高等教育出版社，2009.

[4]王海龍，唐永剛，寧建國.生化分析儀兩種對數放大電路的設計[J].分析儀器，2005（1）:13-18.

WANG Hai-long，TANG Yong-gang，NING Jian-guo.Design oftwo kindsoflogarithmic ratio amplifiersused for biochemical analyzer[J].Analytical Instrument，2005（1）:13-18.

[5]Texas Instruments Corporation.LOG114datasheet[EB/OL].（2007）.[BE/OL].（2011-18-24）.