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支持超低功耗物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點信號處理設(shè)計的ECG前端IC

發(fā)布時間:2018-03-29 來源:David Plourde 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計師尋找高能效的信號調(diào)理器件時,他們可能會發(fā)現(xiàn),市面上能夠在100 uA電源電流下工作的IC很少,而其中具有小型封裝的器件就更是屈指可數(shù)了。對于日益增多的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN),電池壽命和電路板空間逐漸成為關(guān)鍵性規(guī)范,因此缺少可供使用的選項也許會令人沮喪。在搜索低功耗邊緣節(jié)點物聯(lián)網(wǎng)器件的過程中,某些模擬前端IC(比如可穿戴產(chǎn)品的心率監(jiān)測器)可能根本不會出現(xiàn),或因其針對特定應(yīng)用而不予考慮。
 
然而有一款A(yù)DI 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(shè)計物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點應(yīng)用時稍加考慮。如果更深入地研究,人們會發(fā)現(xiàn)其靈活架構(gòu)實質(zhì)上是一個儀表放大器(IA)和幾個運算放大器,可通過配置形成一些實用的超低功耗信號處理電路,其適用范圍不僅僅限于醫(yī)療或保健應(yīng)用。
 
簡化的單導(dǎo)聯(lián)心電圖(ECG)前端如圖1所示。它包括一個間接電流模式IA,具有獨立的傳遞函數(shù):
 
支持超低功耗物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點信號處理設(shè)計的ECG前端IC
 
在此前端示例中,固定增益為100。IA的基準(zhǔn)源由高通放大器(HPA)驅(qū)動,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,通過外部電容和電阻設(shè)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(zhǔn)電壓。該電路形成一個一階高通濾波器:
 
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對于診斷級ECG,截止頻率通常設(shè)為0.05 Hz,而對于僅檢測心率的保健應(yīng)用,設(shè)為7 Hz可能比較合適。高通濾波器函數(shù)能夠解如何在放大高頻ECG信號(1 mV至2 mV)的同時抑制大直流半電池電位(因電極/皮膚接觸而導(dǎo)致)以及與ECG測量相關(guān)的低頻基線漂移的問題。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(gòu)能夠獲得很大的增益。另一個益處就是可以抑制IA的失調(diào)和失調(diào)漂移。監(jiān)測關(guān)于基準(zhǔn)電壓HPDRIVE將顯示自動校正輸入失調(diào)的反相形式。
 
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圖1. 簡化的單導(dǎo)聯(lián)ECG前端。
 
雖然此設(shè)計的初衷是針對ECG應(yīng)用,但實際上任何需要放大低頻小信號(I A帶寬<1 kHz)的應(yīng)用都可受益于其低功耗和小尺寸。如果要進行直流測量,則僅需對此電路進行簡單修改。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成為一個單位增益緩沖器。這種方式也會迫使I A基準(zhǔn)保持基準(zhǔn)電壓。在此情況下應(yīng)考慮到I A的失調(diào)電壓。
 
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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HPA配置為一個反相放大器,增益為–R2/R1,其輸入為IAOUT的反饋。新的傳遞函數(shù)可簡化如下:
 
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將HPA配置為衰減器(R2 < R1)可實現(xiàn)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(wěn)定性,建議增益不應(yīng)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
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圖3. 具有可調(diào)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(diào)。調(diào)節(jié)后的傳遞函數(shù)如下:
 
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VTUNE是用來校正失調(diào)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(qū)動。HPA仍配置為一個增益為–R2/R1的反相放大器,可用于進一步調(diào)節(jié)失調(diào)校正范圍和分辨率。對VIN進行分解,然后帶入上式中,可得目標(biāo)傳遞函數(shù):
 
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總體失調(diào)可通過添加未施加VSIGNAL的傳感器進行補償。僅需相對于基準(zhǔn)源測量IAOUT,并調(diào)節(jié)(R2/R1) VTUNE直到該電壓足夠接近于零。
 
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圖4. 提供失調(diào)補償?shù)闹绷黢詈螴A。
 
將上述電路配置用于低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計之前,還應(yīng)了解 AD8233 ECG前端解決方案的其他部分。詳細電路如圖5所示。第一個運算放大器A1并非專用,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(yīng)用也同樣有益。放大器A2通常用作ECG解決方案中的右腿驅(qū)動。I A輸入共模的緩沖形式出現(xiàn)在A2負輸入端,此時:
 
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通常會將此放大器配置成一個積分器,在RLDFB與RLD之間放置一個電容,通過RLD驅(qū)動第三電極改善整體系統(tǒng)的共模抑制比(CMRR)。除非此放大器可以構(gòu)成有用的電路,否則最好是將RLDSDN數(shù)字輸入接地,同時保持RLD和RLDFB引腳浮空,從而降低放大器的功耗。
 
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圖5:完整ECG和低功耗信號調(diào)理前端。
 
第三個運算放大器A3是一個集成式基準(zhǔn)電壓源緩沖器,可同時驅(qū)動片內(nèi)和片外REFOUT處的基準(zhǔn)電壓。REFIN通常設(shè)為+Vs/2,其中單電源+Vs的范圍是1.7V至3.5V。可采用一種簡易的低功耗解決方案,接入兩個10 MΩ電阻作為+Vs至地的分壓器,如圖6所示。在REFIN和GND之間添加一個電容以協(xié)助任何噪聲拾取。REFIN也可以由ADC基準(zhǔn)源驅(qū)動或用于IA輸出的電平轉(zhuǎn)換。
 
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圖6:低功耗基準(zhǔn)電壓源。
 
數(shù)字輸入FR支持快速恢復(fù)功能,這對于圖1中的交流耦合電路十分有利。在啟動過程中或輸入端出現(xiàn)直流階躍事件時,外部電容需要一段時間進行充電。在此情況下,IA將進入軌到軌模式,直到積分器已建立。自動快速恢復(fù)可檢測到該事件,然后轉(zhuǎn)向與外部電阻并聯(lián)的更小電阻上并保持一定的時間,從而大幅加速了建立過程。SW引腳用于在必要時快速建立第二個外部高通濾波器。
 
AC/DC數(shù)字輸入決定了ECG應(yīng)用中使用的導(dǎo)聯(lián)脫落檢測方法,但也可用于輸入端為其他傳感器的斷線檢測。如果正確配置,當(dāng)IA的某個輸入與傳感器斷開連接時,數(shù)字輸出LOD將發(fā)出指示。
 
除了具有尺寸小和活動功耗低的特點,AD8233還具有一個關(guān)斷引腳(SDN),可使總電源電流降至1 uA以下。這對于不常進行傳感器測量的應(yīng)用來說十分方便,可以顯著延長總體電池壽命。即使在關(guān)斷模式下,斷線檢測仍將保持正常工作。
 
現(xiàn)在我們對整體AD8233芯片有了更詳細的了解,那么來看看關(guān)于傳感器應(yīng)用的幾種不同思路吧。表2列出了構(gòu)建非ECG電路的入門指南。
 
表2:針對非ECG應(yīng)用的AD8233入門指南
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針對AD8233的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點應(yīng)用
 
基于Wheatstone電橋的壓力傳感器應(yīng)用就是適合采用固定增益100和圖4失調(diào)校正電路的一個好例子。此電橋可自然地將輸入共模電壓設(shè)為+Vs/2。電橋可由REFOUT或非專用運算放大器驅(qū)動(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(diào)是一個不錯的選擇。運算放大器(A1)留作占位緩沖器,可用來設(shè)置附加增益/噪聲濾波和60 Hz帶寬。輸出放大器驅(qū)動超低功耗ARM® Cortex®-M3 (ADuCM3029)的片上ADC,ADuCM3029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。
 
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圖7:低功耗壓力傳感器電路。
 
另一個可受益于圖4電路的應(yīng)用就是通過熱電偶進行溫度測量。K型熱電偶在一個很寬的溫度范圍內(nèi)幾乎呈線性,其Seebeck系數(shù)在室溫下(25° C)約為41 uV/°C。假設(shè)基準(zhǔn)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查詢表以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果)熱電偶的輸出就是測量端和基準(zhǔn)端之間的差分信號,因此,必須添加一個相等的基準(zhǔn)端漂移來將其抵銷。
 
要開始此過程,應(yīng)先確定期望的基準(zhǔn)端溫度范圍,并通過NIST表確定期望漂移。例如:
 
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若在基準(zhǔn)端放置一個精確的溫度傳感器,則測量結(jié)果可反饋至VTUNE,并通過–R2/R1調(diào)節(jié)以獲得合適的漂移。請注意,應(yīng)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(diào)和漂移校正,可將該電路分解成一個加法節(jié)點,其中VTUNE2處的失調(diào)在–R2/R3作用下固定不變。更新后的傳遞函數(shù)如下:
 
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經(jīng)過修改的電路如圖8所示。請注意,輸入共模電壓通過+IN上的10 MΩ上拉電阻和–IN上的10 MΩ下拉電阻設(shè)置為+Vs/2。此配置可在出現(xiàn)斷線事件時將+IN上拉至+Vs,從而實現(xiàn)AD8233的導(dǎo)聯(lián)脫落檢測功能。這種情況可通過LOD引腳監(jiān)測。AD8233還具有一個集成RFI濾波器,有助于從熱電偶進行任何高頻拾取。在輸入端串聯(lián)附加電阻可以降低截止頻率。
 
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圖8. 集成參考結(jié)補償和斷線檢測特性的熱電偶電路。
 
結(jié)語:
 
對AD8233進行的分析表明,其應(yīng)用范圍不僅僅限于ECG前端。該器件無與倫比地結(jié)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(gòu),從而實現(xiàn)了體積更小、重量更輕且電池壽命更長的設(shè)計。因此,下次您進行物聯(lián)網(wǎng)、WSN或任何其他低功耗設(shè)計時,不妨考慮一下AD8233器件,想想您能用它實現(xiàn)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行電路設(shè)計時避免陷入困境。" 模擬對話,第48卷,2014年。
 
Duff, Matthew and Joseph Towey. "兩種簡單、精確、靈活的熱電偶溫度測量方法。" 模擬對話,第44卷,2010年。
 
ITS-90 K型熱電偶表。 
 
 
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