然而有一款ADI ECG前端IC，它可以工作于50 uA電源電流下并具有小巧的2 mm × 1.7 mm WLCSP封裝，這款器件值得您在設計物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)應用時(shí)稍加考慮。如果更深入地研究，人們會(huì )發(fā)現其靈活架構實(shí)質(zhì)上是一個(gè)儀表放大器(IA)和幾個(gè)運算放大器，可通過(guò)配置形成一些實(shí)用的超低功耗信號處理電路，其適用范圍不僅僅限于醫療或保健應用。

 

簡(jiǎn)化的單導聯(lián)心電圖(ECG)前端如圖1所示。它包括一個(gè)間接電流模式IA，具有獨立的傳遞函數：

 

 

在此前端示例中，固定增益為100。IA的基準源由高通放大器(HPA)驅動(dòng)，該放大器配置為反饋網(wǎng)絡(luò )中的積分器，其輸入連接到IAOUT，通過(guò)外部電容和電阻設置截止頻率。HPA將迫使HPDRIVE達到任何所需電壓以保持HPSENSE以及IAOUT處于基準電壓。該電路形成一個(gè)一階高通濾波器：

 

 

對于診斷級ECG，截止頻率通常設為0.05 Hz，而對于僅檢測心率的保健應用，設為7 Hz可能比較合適。高通濾波器函數能夠解如何在放大高頻ECG信號（1 mV至2 mV）的同時(shí)抑制大直流半電池電位（因電極/皮膚接觸而導致）以及與ECG測量相關(guān)的低頻基線(xiàn)漂移的問(wèn)題。由于直流半電池電位（高達300 mV）抑制發(fā)生在IA的輸入端，因此這種架構能夠獲得很大的增益。另一個(gè)益處就是可以抑制IA的失調和失調漂移。監測關(guān)于基準電壓HPDRIVE將顯示自動(dòng)校正輸入失調的反相形式。

 

圖1. 簡(jiǎn)化的單導聯(lián)ECG前端。

 

雖然此設計的初衷是針對ECG應用，但實(shí)際上任何需要放大低頻小信號（I A帶寬<1 kHz）的應用都可受益于其低功耗和小尺寸。如果要進(jìn)行直流測量，則僅需對此電路進(jìn)行簡(jiǎn)單修改。圖2顯示固定增益為100的直流耦合I A。就是將圖1中的R和C去掉，并將HPSENSE短接到HPDRIVEA，從而使HPA成為一個(gè)單位增益緩沖器。這種方式也會(huì )迫使I A基準保持基準電壓。在此情況下應考慮到I A的失調電壓。

 

圖2. 固定增益為100的直流耦合IA。

 

如果增益為100太高，或帶寬為1 kHz太低，則可按照圖3所示修改此電路。這時(shí)HPA配置為一個(gè)反相放大器，增益為–R2/R1，其輸入為IAOUT的反饋。新的傳遞函數可簡(jiǎn)化如下：

 

 

將HPA配置為衰減器（R2 < R1）可實(shí)現低于100的增益。由于差分輸入的限值為300 mV，為確保電路的穩定性，建議增益不應低于10。下表中列出了一些可供考慮的增益配置。

 

表1. 具有不同增益和帶寬配置的直流耦合IA

 

圖3. 具有可調增益和帶寬的直流耦合IA。

 

如果直流精度依然很重要，則保留I A增益為100，并按照圖4修改電路，以補償I A及任何附加傳感器的失調。調節后的傳遞函數如下：

 

 

VTUNE是用來(lái)校正失調電壓的源電壓，可由微控制器發(fā)出的PWM濾波信號提供或由低功耗DAC直接驅動(dòng)。HPA仍配置為一個(gè)增益為–R2/R1的反相放大器，可用于進(jìn)一步調節失調校正范圍和分辨率。對VIN進(jìn)行分解，然后帶入上式中，可得目標傳遞函數：

 

 

總體失調可通過(guò)添加未施加VSIGNAL的傳感器進(jìn)行補償。僅需相對于基準源測量IAOUT，并調節(R2/R1) VTUNE直到該電壓足夠接近于零。

 

圖4. 提供失調補償的直流耦合IA。

 

將上述電路配置用于低功耗物聯(lián)網(wǎng)設計之前，還應了解 AD8233 ECG前端解決方案的其他部分。詳細電路如圖5所示。第一個(gè)運算放大器A1并非專(zhuān)用，通常用于提供I A級后的附加增益和/或濾波功能。對于其他傳感器應用也同樣有益。放大器A2通常用作ECG解決方案中的右腿驅動(dòng)。I A輸入共模的緩沖形式出現在A(yíng)2負輸入端，此時(shí)：

 

 

通常會(huì )將此放大器配置成一個(gè)積分器，在RLDFB與RLD之間放置一個(gè)電容，通過(guò)RLD驅動(dòng)第三電極改善整體系統的共模抑制比(CMRR)。除非此放大器可以構成有用的電路，否則最好是將RLDSDN數字輸入接地，同時(shí)保持RLD和RLDFB引腳浮空，從而降低放大器的功耗。

 

圖5：完整ECG和低功耗信號調理前端。

 

第三個(gè)運算放大器A3是一個(gè)集成式基準電壓源緩沖器，可同時(shí)驅動(dòng)片內和片外REFOUT處的基準電壓。REFIN通常設為+Vs/2，其中單電源+Vs的范圍是1.7V至3.5V?？刹捎靡环N簡(jiǎn)易的低功耗解決方案，接入兩個(gè)10 MΩ電阻作為+Vs至地的分壓器，如圖6所示。在REFIN和GND之間添加一個(gè)電容以協(xié)助任何噪聲拾取。REFIN也可以由ADC基準源驅動(dòng)或用于IA輸出的電平轉換。

 

圖6：低功耗基準電壓源。

 

數字輸入FR支持快速恢復功能，這對于圖1中的交流耦合電路十分有利。在啟動(dòng)過(guò)程中或輸入端出現直流階躍事件時(shí)，外部電容需要一段時(shí)間進(jìn)行充電。在此情況下，IA將進(jìn)入軌到軌模式，直到積分器已建立。自動(dòng)快速恢復可檢測到該事件，然后轉向與外部電阻并聯(lián)的更小電阻上并保持一定的時(shí)間，從而大幅加速了建立過(guò)程。SW引腳用于在必要時(shí)快速建立第二個(gè)外部高通濾波器。

 

AC/DC數字輸入決定了ECG應用中使用的導聯(lián)脫落檢測方法，但也可用于輸入端為其他傳感器的斷線(xiàn)檢測。如果正確配置，當IA的某個(gè)輸入與傳感器斷開(kāi)連接時(shí)，數字輸出LOD將發(fā)出指示。

 

除了具有尺寸小和活動(dòng)功耗低的特點(diǎn)，AD8233還具有一個(gè)關(guān)斷引腳(SDN)，可使總電源電流降至1 uA以下。這對于不常進(jìn)行傳感器測量的應用來(lái)說(shuō)十分方便，可以顯著(zhù)延長(cháng)總體電池壽命。即使在關(guān)斷模式下，斷線(xiàn)檢測仍將保持正常工作。

 

現在我們對整體AD8233芯片有了更詳細的了解，那么來(lái)看看關(guān)于傳感器應用的幾種不同思路吧。表2列出了構建非ECG電路的入門(mén)指南。

 

表2：針對非ECG應用的AD8233入門(mén)指南

 

針對AD8233的物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)應用

 

基于Wheatstone電橋的壓力傳感器應用就是適合采用固定增益100和圖4失調校正電路的一個(gè)好例子。此電橋可自然地將輸入共模電壓設為+Vs/2。電橋可由REFOUT或非專(zhuān)用運算放大器驅動(dòng)（具體取決于測量范圍和所需電流），使得電橋的電源電流在關(guān)斷模式下被禁用。圖7顯示的是一個(gè)示例電路。由于 AD5601 DAC具有低功耗（在3 V下為60 uA）、關(guān)斷引腳和小巧的SC70封裝，因此對于校正電橋和IA失調是一個(gè)不錯的選擇。運算放大器(A1)留作占位緩沖器，可用來(lái)設置附加增益/噪聲濾波和60 Hz帶寬。輸出放大器驅動(dòng)超低功耗ARM® Cortex®-M3 (ADuCM3029)的片上ADC，ADuCM3029采用節省空間的WLCSP封裝。ADuCM3029的GPIO可以控制AD8233的關(guān)斷引腳。

 

圖7：低功耗壓力傳感器電路。

 

另一個(gè)可受益于圖4電路的應用就是通過(guò)熱電偶進(jìn)行溫度測量。K型熱電偶在一個(gè)很寬的溫度范圍內幾乎呈線(xiàn)性，其Seebeck系數在室溫下(25° C)約為41 uV/°C。假設基準端或冷端已補償，則IA輸出將是測量端已獲增益的信號~4.1 mV/°C（可使用NIST查詢(xún)表以獲得更準確的結果）熱電偶的輸出就是測量端和基準端之間的差分信號，因此，必須添加一個(gè)相等的基準端漂移來(lái)將其抵銷(xiāo)。

 

要開(kāi)始此過(guò)程，應先確定期望的基準端溫度范圍，并通過(guò)NIST表確定期望漂移。例如：

 

 

若在基準端放置一個(gè)精確的溫度傳感器，則測量結果可反饋至VTUNE，并通過(guò)–R2/R1調節以獲得合適的漂移。請注意，應使溫度傳感器負向漂移，或者交換IA輸入，以確保在IA輸出得到正向漂移。為了隔離失調和漂移校正，可將該電路分解成一個(gè)加法節點(diǎn)，其中VTUNE2處的失調在–R2/R3作用下固定不變。更新后的傳遞函數如下：

 

 

經(jīng)過(guò)修改的電路如圖8所示。請注意，輸入共模電壓通過(guò)+IN上的10 MΩ上拉電阻和–IN上的10 MΩ下拉電阻設置為+Vs/2。此配置可在出現斷線(xiàn)事件時(shí)將+IN上拉至+Vs，從而實(shí)現AD8233的導聯(lián)脫落檢測功能。這種情況可通過(guò)LOD引腳監測。AD8233還具有一個(gè)集成RFI濾波器，有助于從熱電偶進(jìn)行任何高頻拾取。在輸入端串聯(lián)附加電阻可以降低截止頻率。

 

圖8. 集成參考結補償和斷線(xiàn)檢測特性的熱電偶電路。

 

結語(yǔ)：

 

對AD8233進(jìn)行的分析表明，其應用范圍不僅僅限于ECG前端。該器件無(wú)與倫比地結合了有效低功耗 (50 uA)、小巧的2 mm x 1.7 mmWLCSP封裝、關(guān)斷引腳以及靈活架構，從而實(shí)現了體積更小、重量更輕且電池壽命更長(cháng)的設計。因此，下次您進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)、WSN或任何其他低功耗設計時(shí)，不妨考慮一下AD8233器件，想想您能用它實(shí)現什么電路。電池的壽命可能就取決于它了。

 

參考電路

 

Castro, Gustavo and Scott Hunt. "如何在對電橋傳感器進(jìn)行電路設計時(shí)避免陷入困境。" 模擬對話(huà)，第48卷，2014年。

 

Duff, Matthew and Joseph Towey. "兩種簡(jiǎn)單、精確、靈活的熱電偶溫度測量方法。" 模擬對話(huà)，第44卷，2010年。

 

ITS-90 K型熱電偶表。 

 

 

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