灵活的ECG前端IC适用于超低功耗物联网边缘节点信号处理设计

当系统设计人员寻找高能效的信号调理元件时，他们可能会发现，在100 μA电源电流下可用的IC很少，而包含小型封装型号的IC则更少。随着电池寿命和电路板空间成为越来越多的无线传感器网络（WSN）的关键规格，缺乏可用选项可能会令人沮丧。在寻找低功耗边缘节点物联网组件时，模拟前端IC（如可穿戴产品的心率监测器）甚至可能不会出现，或者可能很快就会因过于特定于应用而被驳回。然而，在50 μA电源电流和2 mm×1.7 mm WLCSP封装下，ADI ECG前端IC值得仔细研究。当深入挖掘时，他们会发现其灵活的架构基本上是一个仪表放大器（IA）和少数运算放大器，可以配置为制造一些有用的超低功耗信号处理电路，而不仅仅是医疗保健或健身应用。

简化的单导联心电图（ECG）前端如图1所示。它由一个直流模式IA组成，具有以下独立传递函数：

在此前端的情况下，给出100的固定增益。IA的基准电压源由高通放大器（HPA）驱动，HPA配置为反馈中的积分器，其输入与IA相连外交越频率由外部电容器和电阻器设定。HPA将强制HPDRIVE达到保持HPSENSE所需的任何电压，从而保持IA外在参考电压下。该电路产生截止频率的一阶高通滤波器：

对于诊断质量的ECG，截止频率通常设置为0.05 Hz，而7 Hz可能仅适用于仅检测心率的健身应用。高通滤波器功能解决了抑制与ECG测量相关的大直流半电池电位（由于电极/皮肤接触）和低频基线漂移的问题，同时放大了高频ECG信号（1 mV至2 mV）。该架构可实现大增益，因为直流半电池电位（高达300 mV）的抑制发生在IA输入端。另一个好处是抑制了IA的失调和失调漂移。监控 HPDRIVE 相对于 ref 将显示正在自动校正的输入偏移量的反转版本。

图1.简化的单导联心电图前端。

虽然该设计最初针对ECG应用，但任何需要放大小低频信号的应用都可以从其低功耗和小尺寸中受益，例如电磁水流量传感器。如果需要直流测量，则只需对电路进行简单的修改即可。图2所示为固定增益为100的直流耦合IA。这是通过移除图1中的R和C并将HPSENSE短路到HPDRIVE来完成的，使HPA成为一个单位增益缓冲器。这仍将强制IA基准电压为基准电压。在这种情况下，应考虑IA失调电压。

图2.直流耦合IA，固定增益为100。

如果增益100过高或1 kHz带宽过低，则可以修改电路，如图3所示。HPA现在配置为反相放大器，增益为–R2/R1，输入从IA反馈外.新的传递函数可以简化如下：

通过将HPA配置为衰减器（R2

表 1.具有不同增益和带宽配置的直流耦合IA

 

R2	R1	获得	带宽
短	打开	100	1.2千赫
10 kΩ	1兆安	50	2.4千赫
40 kΩ	1兆安	20	6.5千赫
90 kΩ	1兆安	10	15.2千赫

 

图3.具有可调增益和带宽的直流耦合IA。

如果直流精度仍然很重要，则保持IA增益为100并按照图4修改电路，提供了一种补偿IA和任何连接传感器偏移的方法。调整后的传递函数如下所示：

V调整是用于校正失调电压的源电压，可由微控制器滤波后的PWM信号提供，或直接由低功耗DAC驱动。HPA仍配置为负相放大器，增益为–R2/R1，可用于进一步调整失调校正的范围和分辨率。分解 V在到组件并插入上式得到目标传递函数：

总偏移可以通过连接不带V的传感器来补偿信号应用的。只需测量 IA外关于参考和调整 （R2/R1） V调整直到电压足够接近零。

图4.具有失调补偿的直流耦合IA。

在将上述电路配置用于低功耗物联网设计之前，应了解AD8233 ECG前端解决方案的其余部分。该电路详见图5。第一个运算放大器A1是完全非承诺的，通常用于IA级之后的额外增益和/或滤波。对于其他传感器应用，它也可能具有类似的优势。放大器A2通常用作ECG解决方案中的右腿驱动。IA输入共模的缓冲版本出现在A2的反相输入端，其中：

放大器通常配置为积分器，在RLDFB和RLD之间放置一个电容，而RLD驱动第三个电极，以提高整体系统共模抑制比（CMRR）。除非可以从该放大器构建有用的电路，否则最好通过将RLDSDN数字输入接地，并使RLD和RLDFB引脚悬空来关断放大器。

图5.完整的ECG和低功耗信号调理前端。

第三个运算放大器A3是一个集成基准电压缓冲器，可在REF上驱动片内和片外基准电压外.通常，参考文献在设置为+Vs/2，其中单电源+V的范围为1.7 V至3.5 V。一个简单的低功耗解决方案是连接两个10 MΩ电阻作为+Vs至GND的分压器，如图6所示。在 REF 之间添加一个电容器在和GND以帮助拾取任何噪音。或者，参考文献在可由ADC基准电压源驱动，或用于对IA输出进行电平转换。

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图6.低功耗基准电压源。

数字输入FR可实现快速恢复功能，这在使用图1中的交流耦合电路时非常有用。在启动期间或在输入端发生直流阶跃时，为外部电容器充电需要一些时间。发生这种情况时，IA 将进行铁路处理，直到集成商稳定下来。自动快速恢复功能可检测到此事件，并将较小的电阻与外部电阻并联切换固定时间，从而大大加快建立时间。如果需要，SW引脚用于快速建立第二个外部高通滤波器。

AC/DC数字输入决定了ECG应用中使用的导联脱落检测方法，但也可以用作输入端其他传感器的断线检测。如果配置正确，数字输出LOD将指示其中一个IA输入何时与传感器断开连接。

除了小尺寸和低有功功耗外，AD8233还集成了一个关断引脚（SDN），可将总电源电流降至1 μA以下。这在进行不频繁的传感器测量时很方便，这大大延长了整体电池寿命。即使在关断模式下，断线检测也将保持功能。

现在，对AD8233芯片有了更好的了解，让我们来看看几种不同的传感器应用思路。表2提供了构建非ECG电路的入门指南。

表 2.AD8233 非ECG应用启动指南

 

引 脚	行动
+V 至 GND	电池或稳压（1.7 V 至 3.5 V）
裁判在	设置为 +Vs/2 - 图 6
+输入， -输入	连接传感器（标称Vcm = +Vs/2）
HPSENSE， HPDRIVE， IA外	参考图 1 至 4
RLD， RLDFB， SW， LOD	浮
FR， AC/DC， RLDSDN	与接地连接
SDN	连接到 +Vs（活动），连接到 GND（关机）
运算放大器+，运算放大器，输出	使用灵活（IA后的额外增益/滤波）
裁判外	用于 A1 和 ADC 或微控制器的外部基准

 

AD8233的物联网边缘节点应用

图4中的固定增益100和失调校正的一个很好的例子是基于惠斯通电桥的压力传感器应用。电桥自然地将输入共模设置为+Vs/2。根据所需的测量范围和电流，电桥可由REF驱动外或非专用运算放大器，使得桥式电源电流在关断时被禁用。图7所示为示例电路。AD5601 DAC具有低功耗（3 V时为60 μA）、关断引脚和小型SC70封装，是校正电桥和IA失调的理想选择。运算放大器（A1）保留为占位符缓冲器，可选择设置额外的增益或滤波噪声和60 Hz。输出放大器驱动超低功耗ARM Cortex-M3 （ADuCM3029）的板载ADC，该ADC也采用节省空间的WLCSP封装。ADuCM3029的GPIO可以控制AD8233的关断引脚。®®

图7.低功率压力传感器电路。

另一个可以利用图4所示电路的应用是使用热电偶进行温度测量。K型热电偶在很宽的温度范围内具有相当的线性，室温（25°C）下的塞贝克系数约为41μV/°C。假设对参考或冷结进行了补偿，IA的输出将是测量结的增益版本~4.1 mV/°C（要获得更准确的结果，请使用NIST查找表）。热电偶的输出是测量结和参考结之间的差值，因此必须添加等效的参考结漂移才能消除它。

要开始该过程，请使用NIST表确定预期的参考结温范围，以确定预期的漂移。例如：

通过在参考接合点放置一个精确的温度传感器，可以将结果反馈到V中调整并通过 –R2/R1 进行调整以获得正确的漂移。请注意，温度传感器的漂移应为负或交换IA输入，以便在IA输出端获得正漂移。为了分离失调和漂移校正，可以将电路分成一个求和节点，其中失调固定在V调音2通过 –R2/R3。请参阅更新的传递函数：

修改后的电路如图8所示。请注意，输入共模设置为+Vs/2，+IN上拉10 MΩ上拉，–IN上拉10 MΩ。这种配置支持AD8233的导联脱落检测，在断线时将+IN拉至+V。这可以在LOD引脚上监控。AD8233还集成RFI滤波器，以协助热电偶进行任何高频拾取。将额外的电阻与输入串联可以降低截止频率。

图8.具有参考结补偿和断线检测的热电偶电路。

结论：

分解AD8233证明它不仅仅是一个ECG前端。其独特的低功率有效 （50μA）、纤巧的 2 mm × 1.7 mm WLCSP 封装、关断引脚和灵活的架构组合可实现更小、更轻的设计，并延长电池寿命。因此，下次您为物联网、WSN或任何其他低功耗设计首字母缩略词搜索元件时，请查看AD8233，看看你能想出什么电路。电池寿命可能取决于它。

审核编辑：郭婷