ADS129x 低功耗 24 位 2 通道生物电势测量模拟前端总结

ADS1291、ADS1292和ADS1292R是多通道、同时采样、24位δσ模数转换器（ADC），内置可编程增益放大器（PGA）、内部参考和板载振荡器。

ADS1291、ADS1292和ADS1292R包含了便携式低功耗医疗心电图（ECG）、运动和健身应用中常见的所有功能。
*附件：ads1292r.pdf

凭借高度集成和卓越的性能，ADS1291、ADS1292和ADS1292R使得以显著降低体积、功耗和整体成本，创建可扩展的医疗仪器系统。

ADS1291、ADS1292和ADS1292R每个通道都配备了灵活的输入复用器，可独立连接到内部生成的信号，用于测试、温度和引线检测。此外，输入通道的任意配置都可以选择用于推导右侧驱动（RLD）输出信号。ADS1291、ADS1292和ADS1292R的数据速率最高可达8千每秒。引线检测可以在设备内部实现，使用设备内部的激励电流汇或电源。ADS1292R版本包含完全集成的呼吸阻抗测量功能。

这些设备分别封装为5毫米×5毫米、32针薄四边扁平包（TQFP）和4毫米×4毫米、32针无引脚的四边扁平包（VQFN）。工作温度规定为–40°C至+85°C。

特性

• 两个低噪声PGA和两个高分辨率ADC
  （ADS1292和ADS1292R）
• 低功耗：335 μW/通道
• 输入参考噪声：8 μV聚丙烯
  （150 Hz 带宽，G = 6）
• 输入偏置电流：200 pA
• 数据速率：125 SPS 至 8 kSPS
• CMRR：120 分贝
• 可编程增益：1、2、3、4、6、8 或 12
• 电源：单极或双极
  • 模拟：2.7 V 至 5.25 V
  • 数字：1.7 V 至 3.6 V
• 内置右腿驱动放大器、导联脱落检测、测试信号
• 集成呼吸阻抗测量 （ADS1292R）
• 内置振荡器和基准
• 灵活的掉电、待机模式
• SPI™兼容串行接口
• 工作温度范围：–40°C 至 +85°C

参数

方框图

ADS129x 系列（含 ADS1291/1292/1292R）是德州仪器（TI）推出的高集成度模拟前端（AFE），核心优势为 24 位高精度、低功耗、专为生物电势测量优化，集成多通道 ADC、可编程增益放大器（PGA）与医疗专用功能，文档版本为 SBAS502C，发布于 2011 年 12 月，2020 年 4 月修订，适用于心电图（ECG）、患者监护、健身监测等医疗与健康设备，提供 32 引脚 TQFP 与 VQFN 封装，工作温度范围 - 40°C 至 85°C。

一、核心参数与性能特性

1. 基础规格

• ADC 性能 ：24 位分辨率，无丢失码；INL±0.5 LSB（典型），DNL±0.5 LSB（典型）；输入失调误差 ±100 μV，增益误差 ±0.2% FS（典型）；数据速率 125 SPS-8 kSPS，支持多速率可调。
• 动态与噪声性能 ：150 Hz 带宽下输入参考噪声 8 μVPP；CMRR 120 dB（典型），PSRR 优异；SNR、THD 分别达 117 dB、-104 dB（10 Hz 输入），通道间串扰 - 120 dB，抗干扰能力强。
• 接口与控制 ：SPI 兼容串行接口（SCLK 最高 4.096 MHz）；支持连续转换与单次转换模式；DRDY 引脚指示数据就绪，START 引脚实现多器件同步；2 个通用 GPIO 引脚，支持自定义功能扩展。

2. 供电与功耗

• 供电范围 ：模拟电源（AVDD）2.7 V-5.25 V，数字电源（DVDD）1.7 V-3.6 V，支持单极性 / 双极性供电。
• 功耗表现 ：每通道典型功耗 335 μW（3 V 供电）；待机模式功耗 160 μW，掉电模式低至 1 μW（3 V 供电），适配电池供电的便携式医疗设备。

3. 集成功能特性

• 信号调理功能 ：内置 7 档可编程增益放大器（PGA=1/2/3/4/6/8/12），适配微弱生物电势信号；输入偏置电流 200 pA（典型），高输入阻抗（1000 MΩ），减少对传感器影响。
• 医疗专用功能 ：集成右腿驱动（RLD）放大器，抑制共模干扰；支持导联脱落检测（DC/AC 两种模式），内置电流源（6 nA-22 μA 可调）；ADS1292R 额外集成呼吸阻抗测量功能（2 kΩ-10 kΩ 测量范围）。
• 辅助功能 ：内置 2.42 V/4.033 V 低漂移参考源（温度系数 45 ppm/°C）；片内温度传感器（0.49 mV/°C 系数）；支持内部 / 外部时钟（512 kHz/2.048 MHz），内置振荡器精度 ±1.5%（全温）。

4. 封装与环境适应性

• 封装类型 ：32 引脚 TQFP 封装（5mm×5mm）与 VQFN 封装（4mm×4mm），暴露热焊盘需接地优化散热；结到环境热阻 33.7 °C/W（VQFN）、68.4 °C/W（TQFP），散热性能适配高密度布局。
• 可靠性 ：ESD 防护（HBM ±1000 V、CDM ±500 V）；存储温度范围 - 60°C 至 150°C，最大结温 150°C，满足医疗设备严苛可靠性要求。

二、工作模式与功能原理

1. 核心架构

采用 “EMI 滤波器→输入多路选择器→PGA→ΔΣ ADC→数字抽取滤波器→SPI 接口” 架构，集成 RLD 放大器、导联脱落检测、呼吸测量（ADS1292R）等模块；通过 12 个配置寄存器灵活设置增益、数据速率、功能使能等参数，支持多器件级联与同步。

2. 主要工作模式

模式	核心配置	关键参数	适用场景
连续转换模式	SINGLE_SHOT=0，START 置高	数据速率 125 SPS-8 kSPS，持续输出转换结果	实时 ECG 监测、连续数据采集
单次转换模式	SINGLE_SHOT=1，触发 START 引脚 / 命令	单次转换后停止，需重新触发	低功耗间歇采样场景
待机模式	发送 STANDBY 命令	保留参考源，唤醒时间 10 ms	短时间无采样需求场景
掉电模式	PWDN/RESET 引脚拉低≥90 ns	全电路断电，寄存器复位，唤醒需重启配置	长时间休眠场景

3. 关键功能细节

• 导联脱落检测 ：支持 DC 模式（内置电流源）与 AC 模式（fDR/4 频率激励），通过 LOFF_STAT 寄存器反馈状态，适配不同电极连接监测需求。
• 右腿驱动（RLD） ：可选择任意通道组合生成驱动信号，抑制 50/60 Hz 工频干扰，CMRR 达 120 dB，优化生物电势信号采集质量。
• 呼吸测量（ADS1292R） ：支持 32 kHz/64 kHz 调制频率，相位可调（0°-168.75°），阻抗测量噪声 40 mΩPP，同步采集 ECG 与呼吸信号。

三、应用场景与设计建议

1. 典型应用领域

• 医疗设备（ECG 监护仪、除颤器、动态心电记录仪）、健身监测设备（心率 / 呼吸监测）、高精度多通道数据采集系统。

2. 设计关键要点

• 电源设计 ：AVDD 与 DVDD 需分别供电，就近并联 0.1 µF 陶瓷电容与 10 µF 钽电容滤波；模拟地（AVSS）与数字地（DGND）单点连接，避免串扰；VREFP 引脚需外接 10 µF 电容稳定参考电压。
• 输入与信号调理 ：模拟输入采用差分驱动，串联 47 nF EMI 滤波电容；PGA 输出需外接 4.7 nF 滤波电容（ADS1292R 呼吸通道需 47 nF），优化抗混叠性能；高阻源场景需避免输入旁路电容，防止电荷泵效应。
• 接口与同步设计 ：SPI 通信需遵循 CPOL=0、CPHA=1 时序，SCLK 速率不超过 4.096 MHz；多器件同步时，通过 START 引脚统一触发，确保采样时刻一致。
• 布局与防护 ：模拟信号路径远离数字电路，采用屏蔽布线；热焊盘必须接地以优化散热；输入引脚需串联限流电阻（符合 IEC 60601 标准），防止患者触电风险。