靈活的ECG前端IC適用于超低功耗物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)信號(hào)處理設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員尋找高能效的信號(hào)調(diào)理元件時(shí)，他們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，在100 μA電源電流下可用的IC很少，而包含小型封裝型號(hào)的IC則更少。隨著電池壽命和電路板空間成為越來(lái)越多的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的關(guān)鍵規(guī)格，缺乏可用選項(xiàng)可能會(huì)令人沮喪。在尋找低功耗邊緣節(jié)點(diǎn)物聯(lián)網(wǎng)組件時(shí)，模擬前端IC（如可穿戴產(chǎn)品的心率監(jiān)測(cè)器）甚至可能不會(huì)出現(xiàn)，或者可能很快就會(huì)因過(guò)于特定于應(yīng)用而被駁回。然而，在50 μA電源電流和2 mm×1.7 mm WLCSP封裝下，ADI ECG前端IC值得仔細(xì)研究。當(dāng)深入挖掘時(shí)，他們會(huì)發(fā)現(xiàn)其靈活的架構(gòu)基本上是一個(gè)儀表放大器（IA）和少數(shù)運(yùn)算放大器，可以配置為制造一些有用的超低功耗信號(hào)處理電路，而不僅僅是醫(yī)療保健或健身應(yīng)用。

簡(jiǎn)化的單導(dǎo)聯(lián)心電圖（ECG）前端如圖1所示。它由一個(gè)直流模式IA組成，具有以下獨(dú)立傳遞函數(shù)：

在此前端的情況下，給出100的固定增益。IA的基準(zhǔn)電壓源由高通放大器（HPA）驅(qū)動(dòng)，HPA配置為反饋中的積分器，其輸入與IA相連外交越頻率由外部電容器和電阻器設(shè)定。HPA將強(qiáng)制HPDRIVE達(dá)到保持HPSENSE所需的任何電壓，從而保持IA外在參考電壓下。該電路產(chǎn)生截止頻率的一階高通濾波器：

對(duì)于診斷質(zhì)量的ECG，截止頻率通常設(shè)置為0.05 Hz，而7 Hz可能僅適用于僅檢測(cè)心率的健身應(yīng)用。高通濾波器功能解決了抑制與ECG測(cè)量相關(guān)的大直流半電池電位（由于電極/皮膚接觸）和低頻基線漂移的問(wèn)題，同時(shí)放大了高頻ECG信號(hào)（1 mV至2 mV）。該架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)大增益，因?yàn)橹绷靼腚姵仉娢唬ǜ哌_(dá)300 mV）的抑制發(fā)生在IA輸入端。另一個(gè)好處是抑制了IA的失調(diào)和失調(diào)漂移。監(jiān)控 HPDRIVE 相對(duì)于 ref 將顯示正在自動(dòng)校正的輸入偏移量的反轉(zhuǎn)版本。

圖1.簡(jiǎn)化的單導(dǎo)聯(lián)心電圖前端。

雖然該設(shè)計(jì)最初針對(duì)ECG應(yīng)用，但任何需要放大小低頻信號(hào)的應(yīng)用都可以從其低功耗和小尺寸中受益，例如電磁水流量傳感器。如果需要直流測(cè)量，則只需對(duì)電路進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改即可。圖2所示為固定增益為100的直流耦合IA。這是通過(guò)移除圖1中的R和C并將HPSENSE短路到HPDRIVE來(lái)完成的，使HPA成為一個(gè)單位增益緩沖器。這仍將強(qiáng)制IA基準(zhǔn)電壓為基準(zhǔn)電壓。在這種情況下，應(yīng)考慮IA失調(diào)電壓。

圖2.直流耦合IA，固定增益為100。

如果增益100過(guò)高或1 kHz帶寬過(guò)低，則可以修改電路，如圖3所示。HPA現(xiàn)在配置為反相放大器，增益為–R2/R1，輸入從IA反饋外.新的傳遞函數(shù)可以簡(jiǎn)化如下：

通過(guò)將HPA配置為衰減器（R2

表 1.具有不同增益和帶寬配置的直流耦合IA

圖3.具有可調(diào)增益和帶寬的直流耦合IA。

如果直流精度仍然很重要，則保持IA增益為100并按照?qǐng)D4修改電路，提供了一種補(bǔ)償IA和任何連接傳感器偏移的方法。調(diào)整后的傳遞函數(shù)如下所示：

V調(diào)整是用于校正失調(diào)電壓的源電壓，可由微控制器濾波后的PWM信號(hào)提供，或直接由低功耗DAC驅(qū)動(dòng)。HPA仍配置為負(fù)相放大器，增益為–R2/R1，可用于進(jìn)一步調(diào)整失調(diào)校正的范圍和分辨率。分解 V在到組件并插入上式得到目標(biāo)傳遞函數(shù)：

總偏移可以通過(guò)連接不帶V的傳感器來(lái)補(bǔ)償信號(hào)應(yīng)用的。只需測(cè)量 IA外關(guān)于參考和調(diào)整 （R2/R1） V調(diào)整直到電壓足夠接近零。

圖4.具有失調(diào)補(bǔ)償?shù)闹绷黢詈螴A。

在將上述電路配置用于低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)之前，應(yīng)了解AD8233 ECG前端解決方案的其余部分。該電路詳見(jiàn)圖5。第一個(gè)運(yùn)算放大器A1是完全非承諾的，通常用于IA級(jí)之后的額外增益和/或?yàn)V波。對(duì)于其他傳感器應(yīng)用，它也可能具有類似的優(yōu)勢(shì)。放大器A2通常用作ECG解決方案中的右腿驅(qū)動(dòng)。IA輸入共模的緩沖版本出現(xiàn)在A2的反相輸入端，其中：

放大器通常配置為積分器，在RLDFB和RLD之間放置一個(gè)電容，而RLD驅(qū)動(dòng)第三個(gè)電極，以提高整體系統(tǒng)共模抑制比（CMRR）。除非可以從該放大器構(gòu)建有用的電路，否則最好通過(guò)將RLDSDN數(shù)字輸入接地，并使RLD和RLDFB引腳懸空來(lái)關(guān)斷放大器。

圖5.完整的ECG和低功耗信號(hào)調(diào)理前端。

第三個(gè)運(yùn)算放大器A3是一個(gè)集成基準(zhǔn)電壓緩沖器，可在REF上驅(qū)動(dòng)片內(nèi)和片外基準(zhǔn)電壓外.通常，參考文獻(xiàn)在設(shè)置為+Vs/2，其中單電源+V的范圍為1.7 V至3.5 V。一個(gè)簡(jiǎn)單的低功耗解決方案是連接兩個(gè)10 MΩ電阻作為+Vs至GND的分壓器，如圖6所示。在 REF 之間添加一個(gè)電容器在和GND以幫助拾取任何噪音。或者，參考文獻(xiàn)在可由ADC基準(zhǔn)電壓源驅(qū)動(dòng)，或用于對(duì)IA輸出進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

?

圖6.低功耗基準(zhǔn)電壓源。

數(shù)字輸入FR可實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)功能，這在使用圖1中的交流耦合電路時(shí)非常有用。在啟動(dòng)期間或在輸入端發(fā)生直流階躍時(shí)，為外部電容器充電需要一些時(shí)間。發(fā)生這種情況時(shí)，IA 將進(jìn)行鐵路處理，直到集成商穩(wěn)定下來(lái)。自動(dòng)快速恢復(fù)功能可檢測(cè)到此事件，并將較小的電阻與外部電阻并聯(lián)切換固定時(shí)間，從而大大加快建立時(shí)間。如果需要，SW引腳用于快速建立第二個(gè)外部高通濾波器。

AC/DC數(shù)字輸入決定了ECG應(yīng)用中使用的導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)方法，但也可以用作輸入端其他傳感器的斷線檢測(cè)。如果配置正確，數(shù)字輸出LOD將指示其中一個(gè)IA輸入何時(shí)與傳感器斷開連接。

除了小尺寸和低有功功耗外，AD8233還集成了一個(gè)關(guān)斷引腳（SDN），可將總電源電流降至1 μA以下。這在進(jìn)行不頻繁的傳感器測(cè)量時(shí)很方便，這大大延長(zhǎng)了整體電池壽命。即使在關(guān)斷模式下，斷線檢測(cè)也將保持功能。

現(xiàn)在，對(duì)AD8233芯片有了更好的了解，讓我們來(lái)看看幾種不同的傳感器應(yīng)用思路。表2提供了構(gòu)建非ECG電路的入門指南。

表 2.AD8233 非ECG應(yīng)用啟動(dòng)指南

AD8233的物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)應(yīng)用

圖4中的固定增益100和失調(diào)校正的一個(gè)很好的例子是基于惠斯通電橋的壓力傳感器應(yīng)用。電橋自然地將輸入共模設(shè)置為+Vs/2。根據(jù)所需的測(cè)量范圍和電流，電橋可由REF驅(qū)動(dòng)外或非專用運(yùn)算放大器，使得橋式電源電流在關(guān)斷時(shí)被禁用。圖7所示為示例電路。AD5601 DAC具有低功耗（3 V時(shí)為60 μA）、關(guān)斷引腳和小型SC70封裝，是校正電橋和IA失調(diào)的理想選擇。運(yùn)算放大器（A1）保留為占位符緩沖器，可選擇設(shè)置額外的增益或?yàn)V波噪聲和60 Hz。輸出放大器驅(qū)動(dòng)超低功耗ARM Cortex-M3 （ADuCM3029）的板載ADC，該ADC也采用節(jié)省空間的WLCSP封裝。ADuCM3029的GPIO可以控制AD8233的關(guān)斷引腳。??

圖7.低功率壓力傳感器電路。

另一個(gè)可以利用圖4所示電路的應(yīng)用是使用熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量。K型熱電偶在很寬的溫度范圍內(nèi)具有相當(dāng)?shù)木€性，室溫（25°C）下的塞貝克系數(shù)約為41μV/°C。假設(shè)對(duì)參考或冷結(jié)進(jìn)行了補(bǔ)償，IA的輸出將是測(cè)量結(jié)的增益版本~4.1 mV/°C（要獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，請(qǐng)使用NIST查找表）。熱電偶的輸出是測(cè)量結(jié)和參考結(jié)之間的差值，因此必須添加等效的參考結(jié)漂移才能消除它。

要開始該過(guò)程，請(qǐng)使用NIST表確定預(yù)期的參考結(jié)溫范圍，以確定預(yù)期的漂移。例如：

通過(guò)在參考接合點(diǎn)放置一個(gè)精確的溫度傳感器，可以將結(jié)果反饋到V中調(diào)整并通過(guò) –R2/R1 進(jìn)行調(diào)整以獲得正確的漂移。請(qǐng)注意，溫度傳感器的漂移應(yīng)為負(fù)或交換IA輸入，以便在IA輸出端獲得正漂移。為了分離失調(diào)和漂移校正，可以將電路分成一個(gè)求和節(jié)點(diǎn)，其中失調(diào)固定在V調(diào)音2通過(guò) –R2/R3。請(qǐng)參閱更新的傳遞函數(shù)：

修改后的電路如圖8所示。請(qǐng)注意，輸入共模設(shè)置為+Vs/2，+IN上拉10 MΩ上拉，–IN上拉10 MΩ。這種配置支持AD8233的導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)，在斷線時(shí)將+IN拉至+V。這可以在LOD引腳上監(jiān)控。AD8233還集成RFI濾波器，以協(xié)助熱電偶進(jìn)行任何高頻拾取。將額外的電阻與輸入串聯(lián)可以降低截止頻率。

圖8.具有參考結(jié)補(bǔ)償和斷線檢測(cè)的熱電偶電路。

結(jié)論：

分解AD8233證明它不僅僅是一個(gè)ECG前端。其獨(dú)特的低功率有效 （50μA）、纖巧的 2 mm × 1.7 mm WLCSP 封裝、關(guān)斷引腳和靈活的架構(gòu)組合可實(shí)現(xiàn)更小、更輕的設(shè)計(jì)，并延長(zhǎng)電池壽命。因此，下次您為物聯(lián)網(wǎng)、WSN或任何其他低功耗設(shè)計(jì)首字母縮略詞搜索元件時(shí)，請(qǐng)查看AD8233，看看你能想出什么電路。電池壽命可能取決于它。

審核編輯：郭婷