AFE4960 技术文档总结

该AFE4960可以配置为 2 通道心电图接收器或 1 通道心电图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。右腿驱动 （RLD） 放大器输出可用于设置身体偏置。AFE 具有用于引线开/关检测的直流引线偏置，以及用于测量引线阻抗的交流引线偏置。一个通道支持起搏器脉搏检测。
*附件：afe4960.pdf

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AFE4960是一个完全集成的解决方案，可实现 3 导联心电图系统。两个AFE并联同步运行，可实现5导联心电图。

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
• 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增益为2~12

  • 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
• 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 伏

参数

方框图

一、产品核心定位

AFE4960 是德州仪器（TI）推出的 高集成度双通道模拟前端（AFE） ，专为临床可穿戴医疗设备设计，核心功能覆盖心电图（ECG）采集、呼吸阻抗（Bio-Z）测量与起搏器脉冲（Pace Pulse）检测，可灵活配置为 “2 通道 ECG” 或 “1 通道 ECG+1 通道呼吸阻抗” 模式。其突出优势在于 低功耗 （2 通道 ECG 模式下每通道仅 222μA）、 高信号精度 （输入阻抗＞1GΩ、共模抑制比 CMRR＞100dB）与 小型化封装 （2.6mm×2.6mm DSBGA，36 引脚，0.4mm 间距），满足 IEC 60601-2-47:2012/(R) 2016 与 IEC 60601-2-27:2011 (R) 2016 医疗安全标准，适配无线监测贴片、手持 ECG 设备、动态心电记录仪（Holter）等临床场景，工作温度范围 - 40°C 至 85°C。

二、关键特性

1. 多模式信号采集能力

（1）ECG 信号链

• 通道与速率 ：支持 3 导联 ECG 采集，通过多芯片并行可扩展至 5 导联及以上；单通道采集速率最高 2.048kHz，双通道模式下每通道最高 1.36kHz，满足临床级心电信号实时采集需求。
• 增益与噪声优化 ：集成仪表放大器（INA），增益可编程（2-12 倍），不同增益下输入噪声极低 —— 增益 = 3 时 13μVpp（0.5-150Hz），增益 = 12 时 5μVpp，有效提升微弱心电信号检测精度；内置 370Hz 抗混叠低通滤波器（LPF），减少高频噪声干扰。
• 导联监测功能 ：支持 “导联通断检测” 与 “导联阻抗测量”—— 通过 DC 偏置检测电极是否接触良好，AC 偏置测量导联阻抗，确保信号采集可靠性。

（2）呼吸阻抗（Bio-Z）信号链

• 测量范围与激励方式 ：阻抗测量频率覆盖 30kHz-100kHz，支持正弦波或方波激励；基线阻抗 2kΩ 时，测量噪声仅 45mΩpp，精准捕捉呼吸引起的阻抗变化，适配呼吸频率与深度监测。
• 灵活配置 ：Bio-Z 接收通道可重新配置为第 2 路 ECG 通道，进一步扩展心电采集能力，适配多参数监测场景。

（3）起搏器脉冲检测

• 单通道支持起搏器脉冲检测功能，集成专用模拟信号调理电路，可精准识别起搏器输出脉冲，避免脉冲信号干扰 ECG 采集，适配植入起搏器患者的监护需求。

2. 高可靠性与集成化设计

• 电气性能 ：输入阻抗＞1GΩ，减少电极与皮肤接触阻抗对信号的影响；共模抑制比（CMRR）＞100dB，抑制人体共模噪声（如工频干扰），确保 ECG 信号完整性。
• 数据处理与接口 ：集成 12 位 ADC，所有信号链输出在固定时隙内完成模数转换，转换结果以 24 位字长存储于 128 样本深度的 FIFO（先进先出）缓存；支持 SPI 与 I²C 双接口，通过引脚选择接口类型，适配不同微控制器（MCU）通信需求。
• 电源与防护 ：供电电压范围窄且稳定（Rx/IO 均为 1.7-1.9V），降低电源噪声对信号的影响；具备 ESD 防护能力，需按 TI 推荐的静电防护流程操作，避免器件损坏。

三、典型应用场景

1. 无线监测贴片 ：低功耗（222μA / 通道）与小型化封装适配贴片式设备，支持长期住院 / 门诊患者的 ECG 与呼吸监测，数据通过无线模块实时传输至终端。
2. 动态心电记录仪（Holter） ：2 通道 ECG + 呼吸阻抗的组合模式，可同步记录心电与呼吸信号，128 样本 FIFO 减少数据传输频次，延长设备续航，适配 24 小时动态监测。
3. 手持 ECG 设备 ：高输入阻抗与低噪声特性确保信号精度，3 导联基础配置可快速获取心电波形，支持心律失常初步筛查，适用于基层医疗或家庭场景。
4. 多参数监护仪 ：通过多芯片并行扩展至 5 导联 ECG，结合呼吸阻抗测量，实现心电、呼吸双参数同步监测，满足病房、急诊等临床环境需求。

四、器件信息与订购参数

1. 基础器件信息

型号	封装类型	封装尺寸（标称）	引脚数	工作温度范围	核心配置
AFE4960	36 引脚 DSBGA（YBG）	2.6mm×2.6mm	36	-40°C 至 85°C	2 通道 ECG/1ECG+1Bio-Z

2. 订购选项详情

可订购器件	状态	封装类型	每盘数量（SPQ）	载体类型	RoHS 合规	引脚镀层	湿度敏感等级（MSL）	器件标识
AFE4960YBGR	现役（Active）	36 引脚 DSBGA（YBG）	3000	大卷带（LARGE T&R）	是	SNAGCU（锡银铜）	1 级 - 260°C - 无限制	AFE4960
AFE4960YBGR.A	现役（Active）	36 引脚 DSBGA（YBG）	3000	大卷带（LARGE T&R）	是	SNAGCU（锡银铜）	1 级 - 260°C - 无限制	AFE4960
AFE4960YBGT	现役（Active）	36 引脚 DSBGA（YBG）	250	小卷带（SMALL T&R）	是	SNAGCU（锡银铜）	1 级 - 260°C - 无限制	AFE4960
AFE4960YBGT.A	现役（Active）	36 引脚 DSBGA（YBG）	250	小卷带（SMALL T&R）	是	SNAGCU（锡银铜）	1 级 - 260°C - 无限制	AFE4960

五、核心功能模块

1. 信号调理与转换模块

• ECG 调理 ：每路 ECG 通道包含仪表放大器（INA）、370Hz 抗混叠 LPF 与导联检测电路 ——INA 实现信号增益调节，LPF 滤除高频噪声，导联检测电路通过 DC/AC 偏置判断电极状态，确保采集有效性。
• Bio-Z 调理 ：发射端（BIO-Z TRANSMIT）生成 30kHz-100kHz 激励信号（正弦波 / 方波），接收端（BIO-Z RECEIVE）通过解调电路（DEMOD）提取阻抗变化信号，再经 LPF 滤波后送入 ADC，实现呼吸阻抗测量。
• ADC 与 FIFO ：单路 12 位 ADC 分时处理 ECG、Bio-Z、起搏器脉冲信号，转换后 24 位数据存储于 128 样本 FIFO，减少 MCU 读取频次，降低系统功耗；FIFO 支持半满 / 全满中断，便于同步数据处理。

2. 辅助功能模块

• 右腿驱动（RLD） ：集成 RLD 放大器，通过第三电极向人体注入补偿电流，抑制共模噪声，提升 CMRR，确保 ECG 信号质量（尤其在工频干扰环境下）。
• 时钟与 pacing 检测 ：支持内部振荡器与外部时钟两种模式，适配不同系统时钟方案； pacing 检测通道通过专用模拟调理电路，识别起搏器输出脉冲，避免脉冲干扰 ECG 信号采集。

六、设计与应用指导

1. 硬件设计建议

• 电源设计 ：Rx（模拟电源）与 IO（数字电源）均需 1.7-1.9V 稳定供电，推荐使用低压差稳压器（LDO）供电，且在电源引脚附近并联 0.1μF 陶瓷电容与 1μF 钽电容，降低电源噪声；模拟地（AGND）与数字地（DGND）单点连接，避免地环路干扰。
• 电极接口 ：ECG/Bio-Z 电极引脚需预留足够爬电距离（符合医疗安全标准），建议串联 1kΩ 限流电阻与 0.1μF 隔直电容，保护器件免受过压 / 过流损坏；RLD 输出引脚需通过专用电极连接人体，确保共模噪声补偿效果。
• 布局准则 ：模拟信号路径（ECG/Bio-Z 输入）远离数字电路（如 SPI/I²C 接口），减少数字噪声串扰；DSBGA 封装底部需设计热焊盘，通过过孔连接至接地平面，增强散热（尤其高功耗模式下）。

2. 软件配置要点

• 模式配置 ：通过 SPI/I²C 配置寄存器，选择 “2ECG” 或 “1ECG+1Bio-Z” 模式，设置 INA 增益（2-12 倍）、ADC 采样速率（最高 2.048kHz）与抗混叠滤波器参数。
• 导联监测 ：启用 DC 偏置检测导联通断，AC 偏置测量导联阻抗，当阻抗超过阈值（如 10kΩ）时触发报警，提示用户检查电极接触状态。
• 数据读取 ：轮询 FIFO 半满 / 全满标志，或配置中断触发数据读取，读取时需按 24 位字长解析，区分 ECG、Bio-Z、pacing 检测数据帧。