AFE4960P 技术文档总结

该AFE4960P支持心电图、PPG和生物阻抗信号的同步信号采集。PPG信号链由LED电流驱动器和检测PD信号的接收器组成。AFE 可以配置为 2 通道 ECG 接收器或 1 通道 ECG 接收器和呼吸阻抗通道。AFE 信号链可以灵活地连接到多达 4 个电极。AFE 具有交流和直流引线偏置以及引线开/关检测功能。一个通道支持起搏器脉搏检测。所有信号链输出均由单个ADC在明确定义的时隙中进行转换，并以24位字的形式存储在128个样本的FIFO中，可以使用SPI或I读出^2^C 接口。该AFE4960P可用于实现 3 导联心电图系统以及 SpO2。
*附件：afe4960p.pdf

特性

• 支持心电图和呼吸阻抗测量;可配置为 2 通道心电图或 1 通道心电图 + 1 通道呼吸
• 可用于符合 IEC 60601-2-47：2012/（R）2016 和 IEC 60601-2-27：2011（R）2016 标准的系统
• 222 μA/通道，作为 2 通道 ECG 运行
• 在 1 个通道上集成 Pace 脉冲检测
• 支持 3 导联心电图，可通过并联作两个或多个 AFE 扩展至 5 导联或更高
• 用于 SpO2、心率和 PTT 的 PPG 信号链
• 心电图信号链：
  • 单通道心电图采集频率高达 2.048 kHz
  • 2 通道心电图采集，高达 1.36 kHz/通道
  • RLD 输出通过第三个电极设置主体偏置
  • 可编程INA增益约为2至12

  • 1 GΩ 输入阻抗，CMRR > 100 dB

  • 输入噪声 （0.5-150 Hz）：13 μVpp，INA 增益为 3;INA增益为12时为5 μVpp
  • 集成 370 Hz 抗混叠低通滤波器
  • 连续导联开/关检测模式
  • 引线阻抗测量模式
• Bio-Z 信号链：
  • 测量 30 kHz 至 100 kHz 激发频率上的生物阻抗
  • 正弦波或方波激励
  • 呼吸阻抗测量：45 mΩ-pp 噪声，基线阻抗为 2 kΩ
• 双通道心电图通道：
  • Bio-Z 接收器可配置为 2^nd^心电图通道
• PPG信号链
  • 支持采集多达 24 个 PPG 信号
  • 每相灵活分配 4 个 LED，4 个 PD
  • 8 位 LED 电流控制高达 250 mA
  • 输入端的低噪声电流DAC可消除直流电
  • 跨阻增益：3.7 kΩ 至 1 MΩ
  • 滤波器可降低传感器的光学噪声带宽
• 外部时钟和内部振荡器模式
• 具有 128 个样本深度、24 位字的 FIFO
• SPI^TM的^我^2^C 接口：可通过引脚选择
• 2.6 mm × 2.6 mm DSBGA，0.4 mm 间距
• 电源：Rx：1.7-1.9 V，I O ：1.7-1.9 V ， 发射： 3.0-5.5 V

参数

一、产品核心定位

AFE4960P 是德州仪器（TI）推出的 多参数临床可穿戴设备专用模拟前端（AFE） ，专为心电图（ECG）、呼吸阻抗监测及起搏器脉冲检测设计，支持同步采集 ECG、光体积描记（PPG）与生物阻抗（Bio-Z）信号。其核心优势在于高集成度、低功耗与临床级精度，采用 2.6mm×2.6mm 36 引脚 DSBGA 超小封装，可在 - 40°C 至 + 85°C 温度范围内稳定工作，适配符合 IEC 60601-2-47、IEC 60601-2-27 标准的医疗设备，如无线监护贴片、心律失常事件监测仪、手持 / 便携式多导联 ECG 设备。

二、关键特性

1. 多参数信号采集能力

• ECG 信号链 ：
  • 灵活配置：支持 2 通道 ECG 采集（每通道最高 1.36 kHz 采样率），或 1 通道 ECG+1 通道呼吸阻抗采集，可扩展为 3 导联 ECG，多器件并联可实现 5 导联及以上配置。
  • 高精度性能：输入阻抗＞1 GΩ，共模抑制比（CMRR）＞100 dB，有效抑制人体共模噪声；0.5-150 Hz 输入噪声低至 13 μVpp（INA 增益 = 3 时）、5 μVpp（INA 增益 = 12 时），满足临床级 ECG 信号精度需求。
  • 辅助功能：集成 370 Hz 抗混叠低通滤波器，避免高频噪声干扰；支持 AC/DC 导联偏置与导联通断检测，确保信号采集可靠性；1 通道支持起搏器脉冲检测，适配心脏起搏器患者监测。
• 呼吸阻抗（Bio-Z）信号链 ：
  • 测量范围：激励频率 30 kHz-100 kHz，支持正弦波 / 方波激励，基线阻抗 2 kΩ 时噪声仅 45 mΩpp，精准捕捉呼吸引起的阻抗变化。
  • 功能复用：Bio-Z 接收端可配置为第二 ECG 通道，提升硬件利用率。
• PPG 信号链 ：
  • 多光源 / 探测器支持：可灵活分配 4 个 LED、4 个光电二极管（PD），8 位可编程 LED 电流控制（最高 250 mA），适配不同波长 PPG 信号（如红光、红外光用于血氧（SpO₂）监测）。
  • 低噪声接收：集成低噪声电流 DAC 抵消直流分量，跨阻增益可配置（3.7 kΩ-1 MΩ），搭配光学噪声带宽滤波器，减少环境光与传感器噪声干扰。

2. 低功耗与临床级可靠性

• 超低功耗 ：2 通道 ECG 工作时每通道仅 222 μA 电流，适配电池供电的可穿戴设备，延长续航时间。
• 高抗干扰能力 ：
  • 右腿驱动（RLD）输出：通过第三电极设置人体偏置电压，进一步抑制共模噪声，提升 ECG 信号质量。
  • 电气安全：符合医疗设备标准，支持导联阻抗测量与持续导联通断检测，避免因电极接触不良导致的监测误差。

3. 灵活的信号处理与接口

• 信号转换与存储 ：
  • 集成单路 ADC，在预设时隙内转换所有信号链输出，生成 24 位数据字，存储于 128 样本深度 FIFO，减轻后端处理器实时处理压力。
• 通信接口 ：
  • 支持 SPI 与 I2C 两种串行接口，通过引脚选择接口类型，适配不同微控制器（MCU），方便系统集成。
• 时钟选项 ：
  • 支持外部时钟输入或内部振荡器模式，适配不同系统时钟同步需求，确保多参数采集时序一致性。

三、典型应用场景

1. 无线监护贴片 ：用于住院 / 门诊患者长期 ECG 与呼吸监测，低功耗设计支持数天至数周续航，超小封装适配贴片小型化需求。
2. 心律失常事件监测仪 ：通过高灵敏度 ECG 信号链与起搏器脉冲检测，捕捉心律失常事件，FIFO 存储确保关键数据不丢失。
3. 手持 / 便携式 ECG 设备 ：支持 3 导联 ECG，可扩展至 5 导联，搭配 PPG 模块可同步监测 SpO₂、心率（HR）及脉搏传播时间（PTT），用于血压估算。
4. 多参数生命体征监测仪 ：同步采集 ECG、呼吸、SpO₂、HR，为重症监护、远程医疗提供全面生命体征数据。

四、器件信息与订购参数

1. 基础器件信息

型号	封装类型	主体尺寸（标称）	引脚数	核心功能
AFE4960P	36 引脚 DSBGA（YBG）	2.60mm×2.60mm	36	ECG、呼吸阻抗、PPG、起搏器脉冲检测

2. 订购选项详情

可订购器件	状态	封装类型	每卷数量（SPQ）	环保标准	引脚镀层	湿度敏感等级（MSL）	工作温度（°C）	器件标识
AFE4960PYBGR	现役（Active）	36 引脚 DSBGA（YBG）	3000（大卷带）	RoHS 合规	SNAGCU	1 级 - 260°C - 无限制	-40 至 85	AFE4960P
AFE4960PYBGR.A	现役（Active）	36 引脚 DSBGA（YBG）	3000（大卷带）	RoHS 合规	SNAGCU	1 级 - 260°C - 无限制	-40 至 85	AFE4960P
AFE4960PYBGT	现役（Active）	36 引脚 DSBGA（YBG）	250（小卷带）	RoHS 合规	SNAGCU	1 级 - 260°C - 无限制	-40 至 85	AFE4960P
AFE4960PYBGT.A	现役（Active）	36 引脚 DSBGA（YBG）	250（小卷带）	RoHS 合规	SNAGCU	1 级 - 260°C - 无限制	-40 至 85	AFE4960P

五、电气与封装特性

1. 电源需求

• 接收端电源（Rx） ：1.7-1.9 V，为 ECG、Bio-Z、PPG 接收电路供电，需低噪声电源以确保信号精度。
• 发射端电源（Tx） ：3.0-5.5 V，为 LED 驱动电路供电，适配高电流 LED 需求。
• IO 电源（IO） ：1.7-1.9 V，为 SPI/I2C 接口等数字电路供电，与接收端电源兼容，简化供电设计。

2. 封装与热特性

• 封装类型 ：36 引脚 DSBGA（裸片级球栅阵列），球间距 0.4mm，主体厚度最大 0.5mm，适合空间受限的可穿戴设备。
• 热管理 ：需注意 PCB 布局时的散热设计，建议将散热焊盘连接至接地平面，避免局部温度过高影响性能（工作温度上限 85°C）。

六、功能模式与关键模块

1. 核心功能模块

• ECG 前端 ：
  • 仪表放大器（INA）：可编程增益 2-12 倍，适配不同幅度 ECG 信号；集成导联偏置电路，提供 DC 偏置（确保电极与皮肤良好接触）或 AC 偏置（减少极化电压）。
  • 导联检测：支持持续导联通断检测与导联阻抗测量，通过专用寄存器输出检测结果，便于系统诊断电极接触状态。
• Bio-Z 模块 ：
  • 激励信号生成：内置 7 位直接数字合成器（DDS）与 PLL，生成 30 kHz-100 kHz 可编程频率激励信号，支持正弦波 / 方波输出。
  • 信号接收：高阻抗接收电路搭配低噪声放大器，精准采集阻抗变化信号，噪声抑制能力强。
• PPG 模块 ：
  • LED 驱动：8 位 DAC 控制 LED 电流（0-250 mA），支持多 LED 并行驱动，适配不同光强需求。
  • PD 接收：跨阻放大器（TIA）将 PD 光电流转换为电压，增益 3.7 kΩ-1 MΩ 可调，搭配噪声滤波器，提升 PPG 信号信噪比。

2. 数据处理与存储

• ADC 与 FIFO ：
  • 单路 ADC 分时转换 ECG、Bio-Z、PPG 信号，24 位分辨率确保数据精度；128 样本 FIFO 缓存数据，支持批量读取，减少处理器中断频率，降低系统功耗。
• 接口控制 ：
  • SPI/I2C 接口通过引脚选择，支持标准通信速率，寄存器配置灵活，可实现信号链参数（如增益、滤波频率、激励频率）实时调整。

七、设计与应用指导

1. 硬件设计建议

• 电源 decoupling ：
  • Rx/IO 电源（1.7-1.9 V）需并联 0.1 μF（陶瓷电容）+1 μF（钽电容），Tx 电源（3.0-5.5 V）并联 10 μF（钽电容）+0.1 μF（陶瓷电容），电容需紧贴器件引脚，降低电源噪声。
• 电极与导联设计 ：
  • ECG 导联：采用医疗级 Ag/AgCl 电极，导联线阻抗匹配（建议≤100 Ω），RLD 电极需良好接触人体，确保共模噪声抑制效果。
  • PPG 光路：LED 与 PD 需精准对齐，避免光路偏移导致信号衰减；建议增加光学隔离结构，减少环境光干扰。
• 接地设计 ：
  • 模拟地（AGND）与数字地（DGND）单点连接，ECG/Bio-Z/PPG 模拟电路区域单独接地，避免数字信号串扰模拟信号。

2. 临床合规性设计

• 电气安全 ：需符合 IEC 60601-1 医疗电气设备安全标准，设计隔离电路（如光耦、隔离电源），确保患者与设备间的漏电流≤100 μA。
• EMC 兼容性 ：需通过 IEC 61000-6-3（医疗设备 EMC 要求），PCB 布局时增加 EMI 滤波电路，关键信号（如 ECG 导联、时钟线）采用屏蔽布线。

3. ESD 防护

器件易受静电损坏，需遵循 ESD 防护流程（如佩戴防静电手环、使用防静电包装），焊接与调试过程中避免静电放电导致性能退化或失效。