高阻抗和低噪聲運算放大器支持醫(yī)療系統(tǒng)中的干電極

本應(yīng)用筆記介紹了偏置電流小于40023pA的高阻抗、低噪聲緩沖器MAX40024/MAX5和超低功耗、單通道集成生物電位模擬前端（AFE）。MAX30003/MAX40023有助于將心電圖（ECG）信號保持在可靠的水平，從而實現(xiàn)更有效的檢測。它們還具有節(jié)省空間的功能和低功耗，非常適合可穿戴ECG設(shè)備。

介紹

用于健身和健康監(jiān)測的可穿戴傳感器的使用正在大幅增長。在過去的十年中，由于商業(yè)原因，可穿戴技術(shù)引起了科技行業(yè)的廣泛關(guān)注，并因其對患者健康的潛在益處而引起了醫(yī)生的興趣?？纱┐髟O(shè)備使用生物醫(yī)學傳感器不僅監(jiān)測活動參數(shù)，如步數(shù)或步行/跑步速度或海拔，還監(jiān)測生理參數(shù)，如心臟電活動或血壓。

更流行的生物傳感器之一是心電圖傳感器（也稱為EKG），它記錄一段時間內(nèi)的心臟電活動（圖1）。每次心跳都由電脈沖觸發(fā)，電脈沖通常由心臟右上方腔室的特殊細胞產(chǎn)生。測量和記錄心臟電活動的設(shè)備是心電圖機或心電圖儀。它通過將電極連接到患者皮膚表面來工作。然后由醫(yī)生分析這種記錄的活動，并用于診斷患者的各種心臟病，以幫助監(jiān)測他們的進展。心電圖機在全球范圍內(nèi)廣泛使用，從醫(yī)院到許多醫(yī)療保健從業(yè)者，以監(jiān)測患者的健康狀況。

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圖1.代表心臟電活動的典型心電圖波形。

完全集成的心電圖解決方案

典型的生物電勢ECG解決方案如圖2所示。兩個引線電極連接到人體，然后通過外部EMI濾波器連接到MAX30003的ECGP和ECGN引腳。MAX30003為完全集成的生物電位ECG AFE IC，由輸入多路復用器、快速恢復儀表放大器、抗混疊濾波器和可編程增益放大器（PGA）組成。PGA的輸出驅(qū)動高分辨率ADC，調(diào)理信號隨后發(fā)送到微處理器進行存儲、計算和顯示。

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圖2.典型的生物電勢心電圖解決方案。
高分辨率圖像 ?

有兩種類型的電極，濕電極或干電極。通過將電極連接到皮膚上，它們接收心肌產(chǎn)生的心電圖信號。ECG傳感器的臨床用途包括濕電極，需要使用粘性凝膠粘附在身體上。與傳統(tǒng)的濕電極相比，干電極使用單一金屬作為皮膚和電極之間的導體，不需要導電凝膠。由于干電極易于設(shè)置，許多類型的ECG可穿戴設(shè)備，如腕帶，胸帶和智能手表，都使用基于干電極的ECG傳感器。我們在這里介紹的解決方案非常適合具有傳統(tǒng)濕電極的ECG，阻抗范圍為10k？。然而，當與帶有干電極的ECG一起使用時，干電極的阻抗比傳統(tǒng)電極高100至1000倍（例如，干電極為10M？，而傳統(tǒng)電極為10k）。在如此高的阻抗下，ECG信號會衰減，從而產(chǎn)生小信號。為了適應(yīng)這種高阻抗，生物電位ECG通道的輸入阻抗應(yīng)該非常高，以便將衰減保持在最小值。MAX40023/MAX40024是高阻、低噪聲緩沖器，有助于保持可檢測的ECG信號。

為了在可以檢測和處理的典型和足夠的范圍內(nèi)保持體面的ECG信號，ECG通道的前端確實需要一個具有低偏置電流的高阻抗緩沖器（圖3）。還需要緩沖器的低噪聲性能，以避免在整個系統(tǒng)中增加過多噪聲，并滿足ECG系統(tǒng)噪聲標準?？紤]到可穿戴設(shè)備的電池壽命，緩沖器的功耗必須盡可能小。

MAX40023/MAX40024系列具有這些必要的規(guī)格，是醫(yī)療傳感器應(yīng)用的最佳選擇。這些低噪聲、低功耗、低偏置電流放大器的輸入偏置電流為 5pA （最大值），每通道僅消耗 17μA 靜態(tài)電流。噪聲性能也非常出色，本底噪聲小于32nV/rtHz，在1.5Hz至0Hz帶寬內(nèi)小于1.10μVP-P。MAX40023還具有內(nèi)部EMI濾波器，在110.1GHz和8.2GHz時EMI抑制比至少為4dB。由于大多數(shù)ECG設(shè)備都有一對以上的干電極導聯(lián)，MAX40024為雙通道放大器，采用9引腳WLP封裝，非常適合節(jié)省空間的可穿戴應(yīng)用。

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圖3.MAX40023/MAX40024用于ECG通道。
高分辨率圖像 ?

結(jié)論

MAX30003為完全集成的ECG模擬前端IC，可通過常規(guī)電極或干電極輕松實現(xiàn)ECG測量。然而，為了從干電極獲得最佳性能，可以使用高阻、低噪聲緩沖器，如MAX40023/MAX40024。這些運算放大器的偏置電流小于5pA，有助于將ECG信號保持在可靠的檢測水平。其節(jié)省空間的特點以及低功耗非常適合可穿戴ECG設(shè)備。

審核編輯：郭婷

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