精密低功耗信号链：具有可配置性的独特交流耦合解决方案

作者：Antonius 

在上一博客文章中，我们讨论了在存在大得多的直流偏移和低频干扰的情况下测量小信号时，交流和直流耦合信号链之间的权衡。我们还表明，高通滤波器在交流耦合信号链中的位置很重要，会影响CMRR、输入阻抗和前端可应用的增益量等性能指标。实现高通滤波器功能的另一种有趣方法如下图1所示。积分器电路检测仪表放大器的输出，并将基准引脚驱动至所需的任何位置，以保持仪表放大器输出直流偏置在V。裁判.通过反馈输出的低通滤波版本并进行反相处理，实现了高通滤波器传递函数。

图 1 – 使用积分器反馈环路实现的高通滤波器

改进的变体

图1所示电路的一个不幸结果是，对于大多数传统仪表放大器架构（2或3 op-amp），失调消除发生在施加增益后，因此增益仍受电源电压和失调大小的限制，以防止内部节点饱和。图2显示了采用间接电流反馈架构的变体，该架构可在增益[1]之前进行失调校正，是AD8233模拟前端设计的核心。这允许在低电源电压 （100.300-1.7V） 下实现高增益 （3x） 和更高的失调校正（+/-5mV）。通过在AD8233上增加一个增益/低通滤波器级，所有信号调理都可以通过单个低功耗IC （50uA）周围的外部无源器件完成。AD8233具有基准电压缓冲器、右腿驱动、导联脱落检测、关断和快速恢复等特性，为电池供电的生物电势应用提供了完整的解决方案（见下文图3）。

图 3 – AD8233，带 2 个极点高通和低通滤波器以及额外增益

不同过滤器配置的灵活性

由于无源元件放置在AD8233外部，因此有多种配置可用于设置高通和低通截止频率、每种极点数以及可根据目标应用定制的额外增益。图4和图5分别显示了AD8233在频域和时域中的不同ECG配置。您可以看到，对于运动带宽，应用了一个具有高增益的非常窄的带通滤波器，并产生了失真的信号。这适用于心率监测器，因为 QRS 复合体中的频率含量更高。对于更宽的监控和诊断带宽，增益受到限制，以避免带内干扰源饱和。

图5 – 三种AD8233 ECG配置的时域信息

也可以为肌电图或脑电图实现不同的滤波器/增益配置。图6显示了不同类型的EEG信号及其相应的带宽。值得注意的是，高通滤波器还可以帮助滤除1/F噪声。专用的AD8233滤波器设计工具可帮助优化带通滤波器。

图 6 – EEG 信号类型和带宽 [2]

快速还原概述

您是否曾经使用过一件健身器材，试图测量您的心率，然后等待令人沮丧的很长时间才能出现该数字？这可能是由于交流耦合带来的非常慢的时间常数。对于上电、快速步进或初始电极连接等事件，大电容器需要一些时间充电。快速恢复电路可加快充电速度，可以手动（按需）或自动完成。AD8233通过检测事件并联切换较小的片内电阻和较大的外部电阻来自动实现此目的，从而在预定时间内有效降低高通滤波器的时间常数。图7显示了使用快速恢复对电极的改进，该电极在三秒钟后被移除并重新连接。

图7 – 启用和未启用快速恢复的AD8233的ECG建立比较

ADC呢？

正如我们在上个月的博客中所展示的，交流耦合降低了ADC的分辨率要求。如果成本和电路板面积是一个问题，则可以选择将AD8233直接运行到带有嵌入式ADC的微控制器。如果电极/通道数和布线很重要，AD4695是一款易于驱动的16通道、16位SAR ADC，可用于多路复用多达32个电极输入。这是通过在每对电极附近定位一个AD8233并将其单端输出路由到多路复用ADC来实现的，这比长距离布线多个电极更可取。参见下面图8中的信号链示例。

图 8 – 高电极数的多通道信号链示例