然而有一款ADI ECG前端IC
，它可以工作於50 uA電源電流下並具有小巧的2 mm × 1.7 mm WLCSP封裝
，這款器件值得您在設計物聯網節點應用時稍加考慮。如果更深入地研究，人們會發現其靈活架構實質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，其適用範圍不僅僅限於醫療或保健應用。

 

簡化的單導聯心電圖(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：

 

 

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，該放大器配置為反饋網絡中的積分器
，其輸入連接到IAOUT

，通過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處於基準電壓。該電路形成一個一階高通濾波器：

 

 

對於診斷級ECG，截止頻率通常設為0.05 Hz，而對於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）的同時抑製大直流半電池電位（因電極/皮膚接觸而導致）以及與ECG測量相關的低頻基線漂移的問題。由於直流半電池電位（高達300 mV）抑製發生在IA的輸入端，因此這種架構能夠獲得很大的增益。另一個益處就是可以抑製IA的失調和失調漂移。監測關於基準電壓HPDRIVE將顯示自動校正輸入失調的反相形式。

 

圖1. 簡化的單導聯ECG前端。

 

雖然此設計的初衷是針對ECG應用，但實際上任何需要放大低頻小信號（I A帶寬<1 kHz）的應用都可受益於其低功耗和小尺寸。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，並將HPSENSE短接到HPDRIVEA，從而使HPA成為一個單位增益緩衝器。這種方式也會迫使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。新的傳遞函數可簡化如下：

 

 

將HPA配置為衰減器（R2 < R1）可實現低於100的增益。由於差分輸入的限值為300 mV
，為確保電路的穩定性
，建議增益不應低於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
，並按照圖4修改電路
，以補償I A及任何附加傳感器的失調。調節後的傳遞函數如下：

 

 

VTUNE是用來校正失調電壓的源電壓


，可由微控製器發出的PWM濾波信號提供或由低功耗DAC直接驅動。HPA仍配置為一個增益為–R2/R1的反相放大器，可用於進一步調節失調校正範圍和分辨率。對VIN進行分解
，然後帶入上式中
，可得目標傳遞函數：

 

 

總體失調可通過添加未施加VSIGNAL的傳感器進行補償。僅需相對於基準源測量IAOUT，並調節(R2/R1) VTUNE直到該電壓足夠接近於零。

 

圖4. 提供失調補償的直流耦合IA。

 

將上述電路配置用於低功耗物聯網設計之前，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。第一個運算放大器A1並非專用，通常用於提供I A級後的附加增益和/或濾波功能。對於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。I A輸入共模的緩衝形式出現在A2負輸入端
，此時：

 

 

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驅動第三電極改善整體係統的共模抑製比(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。

 

第三個運算放大器A3是一個集成式基準電壓源緩衝器，可同時驅動片內和片外REFOUT處的基準電壓。REFIN通常設為+Vs/2，其中單電源+Vs的範圍是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助任何噪聲拾取。REFIN也可以由ADC基準源驅動或用於IA輸出的電平轉換。

 

圖6：低功耗基準電壓源。

 

數字輸入FR支持快速恢複功能，這對於圖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jiang進jin入ru軌gui到dao軌gui模mo式shi
，直zhi到dao積ji分fen器qi已yi建jian立li。自zi動dong快kuai速su恢hui複fu可ke檢jian測ce到dao該gai事shi件jian
，然ran後hou轉zhuan向xiang與yu外wai部bu電dian阻zu並bing聯lian的de更geng小xiao電dian阻zu上shang並bing保bao持chi一yi定ding的de時shi間jian
，從cong而er大da幅fu加jia速su了le建jian立li過guo程cheng。SW引腳用於在必要時快速建立第二個外部高通濾波器。

 

AC/DC數字輸入決定了ECG應用中使用的導聯脫落檢測方法，但也可用於輸入端為其他傳感器的斷線檢測。如果正確配置，當IA的某個輸入與傳感器斷開連接時，數字輸出LOD將發出指示。

 

除了具有尺寸小和活動功耗低的特點
，AD8233還具有一個關斷引腳(SDN)
，可使總電源電流降至1 uA以(yi)下(xia)。這(zhe)對(dui)於(yu)不(bu)常(chang)進(jin)行(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)測(ce)量(liang)的(de)應(ying)用(yong)來(lai)說(shuo)十(shi)分(fen)方(fang)便(bian)
，可(ke)以(yi)顯(xian)著(zhu)延(yan)長(chang)總(zong)體(ti)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)。即(ji)使(shi)在(zai)關(guan)斷(duan)模(mo)式(shi)下(xia)
，斷(duan)線(xian)檢(jian)測(ce)仍(reng)將(jiang)保(bao)持(chi)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)。

 

現在我們對整體AD8233芯片有了更詳細的了解，那麼來看看關於傳感器應用的幾種不同思路吧。表2列出了構建非ECG電路的入門指南。

 

表2：針對非ECG應用的AD8233入門指南

 

針對AD8233的物聯網節點應用

 

基於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或非專用運算放大器驅動（具體取決於測量範圍和所需電流），使得電橋的電源電流在關斷模式下被禁用。圖7顯示的是一個示例電路。由於 AD5601 DAC具有低功耗（在3 V下為60 uA）、關斷引腳和小巧的SC70封裝，因此對於校正電橋和IA失調是一個不錯的選擇。運算放大器(A1)留作占位緩衝器
，可用來設置附加增益/噪聲濾波和60 Hz帶寬。輸出放大器驅動超低功耗ARM® Cortex®-M3 (ADuCM3029)的片上ADC
，ADuCM3029采用節省空間的WLCSP封裝。ADuCM3029的GPIO可以控製AD8233的關斷引腳。

 

圖7：低功耗壓力傳感器電路。

 

另一個可受益於圖4電路的應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範圍內幾乎呈線性
，其Seebeck係數在室溫下(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，必須添加一個相等的基準端漂移來將其抵銷。

 

要開始此過程，應先確定期望的基準端溫度範圍，並通過NIST表確定期望漂移。例如：

 

 

若在基準端放置一個精確的溫度傳感器
，則測量結果可反饋至VTUNE，並通過–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加法節點，其中VTUNE2處的失調在–R2/R3作用下固定不變。更新後的傳遞函數如下：

 

 

經過修改的電路如圖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下拉電阻設置為+Vs/2。此配置可在出現斷線事件時將+IN上拉至+Vs
，從而實現AD8233的導聯脫落檢測功能。這種情況可通過LOD引腳監測。AD8233還具有一個集成RFI濾波器
，有助於從熱電偶進行任何高頻拾取。在輸入端串聯附加電阻可以降低截止頻率。

 

圖8. 集成參考結補償和斷線檢測特性的熱電偶電路。

 

結語：

 

對AD8233進行的分析表明，其應用範圍不僅僅限於ECG前端。該器件無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、關斷引腳以及靈活架構，從而實現了體積更小
、重量更輕且電池壽命更長的設計。因此
，下次您進行物聯網、WSN或任何其他低功耗設計時，不妨考慮一下AD8233器件
，想想您能用它實現什麼電路。電池的壽命可能就取決於它了。

 

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。 

 

 

推薦閱讀：