支持超低功耗物联网节点信号处理设计的ECG前端IC

然而有一款ADI ECG前端IC，它可以工作于50 uA电源电流下并具有小巧的2 mm × 1.7 mm WLCSP封装，这款器件值得您在设计物联网节点应用时稍加考虑。如果更深入地研究，人们会发现其灵活架构实质上是一个仪表放大器(IA)和几个运算放大器，可通过配置形成一些实用的超低功耗信号处理电路，其适用范围不仅仅限于医疗或保健应用。

简化的单导联心电图(ECG)前端如图1所示。它包括一个间接电流模式IA，具有独立的传递函数：

在此前端示例中，固定增益为100。IA的基准源由高通放大器(HPA)驱动，该放大器配置为反馈网络中的积分器，其输入连接到IAOUT，通过外部电容和电阻设置截止频率。HPA将迫使HPDRIVE达到任何所需电压以保持HPSENSE以及IAOUT处于基准电压。该电路形成一个一阶高通滤波器：

对于诊断级ECG，截止频率通常设为0.05 Hz，而对于仅检测心率的保健应用，设为7 Hz可能比较合适。高通滤波器函数能够解如何在放大高频ECG信号（1 mV至2 mV）的同时抑制大直流半电池电位（因电极/皮肤接触而导致）以及与ECG测量相关的低频基线漂移的问题。由于直流半电池电位（高达300 mV）抑制发生在IA的输入端，因此这种架构能够获得很大的增益。另一个益处就是可以抑制IA的失调和失调漂移。监测关于基准电压HPDRIVE将显示自动校正输入失调的反相形式。

图1. 简化的单导联ECG前端。

虽然此设计的初衷是针对ECG应用，但实际上任何需要放大低频小信号（I A带宽<1 kHz）的应用都可受益于其低功耗和小尺寸。如果要进行直流测量，则仅需对此电路进行简单修改。图2显示固定增益为100的直流耦合I A。就是将图1中的R和C去掉，并将HPSENSE短接到HPDRIVEA，从而使HPA成为一个单位增益缓冲器。这种方式也会迫使I A基准保持基准电压。在此情况下应考虑到I A的失调电压。

图2. 固定增益为100的直流耦合IA。

如果增益为100太高，或带宽为1 kHz太低，则可按照图3所示修改此电路。这时HPA配置为一个反相放大器，增益为–R2/R1，其输入为IAOUT的反馈。新的传递函数可简化如下：

将HPA配置为衰减器（R2 < R1）可实现低于100的增益。由于差分输入的限值为300 mV，为确保电路的稳定性，建议增益不应低于10。下表中列出了一些可供考虑的增益配置。

表1. 具有不同增益和带宽配置的直流耦合IA

图3. 具有可调增益和带宽的直流耦合IA。

如果直流精度依然很重要，则保留I A增益为100，并按照图4修改电路，以补偿I A及任何附加传感器的失调。调节后的传递函数如下：

VTUNE是用来校正失调电压的源电压，可由微控制器发出的PWM滤波信号提供或由低功耗DAC直接驱动。HPA仍配置为一个增益为–R2/R1的反相放大器，可用于进一步调节失调校正范围和分辨率。对VIN进行分解，然后带入上式中，可得目标传递函数：

总体失调可通过添加未施加VSIGNAL的传感器进行补偿。仅需相对于基准源测量IAOUT，并调节(R2/R1) VTUNE直到该电压足够接近于零。

图4. 提供失调补偿的直流耦合IA。

将上述电路配置用于低功耗物联网设计之前，还应了解 AD8233 ECG前端解决方案的其他部分。详细电路如图5所示。第一个运算放大器A1并非专用，通常用于提供I A级后的附加增益和/或滤波功能。对于其他传感器应用也同样有益。放大器A2通常用作ECG解决方案中的右腿驱动。I A输入共模的缓冲形式出现在A2负输入端，此时：

通常会将此放大器配置成一个积分器，在RLDFB与RLD之间放置一个电容，通过RLD驱动第三电极改善整体系统的共模抑制比(CMRR)。除非此放大器可以构成有用的电路，否则最好是将RLDSDN数字输入接地，同时保持RLD和RLDFB引脚浮空，从而降低放大器的功耗。

图5：完整ECG和低功耗信号调理前端。

第三个运算放大器A3是一个集成式基准电压源缓冲器，可同时驱动片内和片外REFOUT处的基准电压。REFIN通常设为+Vs/2，其中单电源+Vs的范围是1.7V至3.5V。可采用一种简易的低功耗解决方案，接入两个10 MΩ电阻作为+Vs至地的分压器，如图6所示。在REFIN和GND之间添加一个电容以协助任何噪声拾取。REFIN也可以由ADC基准源驱动或用于IA输出的电平转换。

图6：低功耗基准电压源。

数字输入FR支持快速恢复功能，这对于图1中的交流耦合电路十分有利。在启动过程中或输入端出现直流阶跃事件时，外部电容需要一段时间进行充电。在此情况下，IA将进入轨到轨模式，直到积分器已建立。自动快速恢复可检测到该事件，然后转向与外部电阻并联的更小电阻上并保持一定的时间，从而大幅加速了建立过程。SW引脚用于在必要时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，但也可用于输入端为其他传感器的断线检测。如果正确配置，当IA的某个输入与传感器断开连接时，数字输出LOD将发出指示。

除了具有尺寸小和活动功耗低的特点，AD8233还具有一个关断引脚(SDN)，可使总电源电流降至1 uA以下。这对于不常进行传感器测量的应用来说十分方便，可以显著延长总体电池寿命。即使在关断模式下，断线检测仍将保持正常工作。

现在我们对整体AD8233芯片有了更详细的了解，那么来看看关于传感器应用的几种不同思路吧。表2列出了构建非ECG电路的入门指南。

表2：针对非ECG应用的AD8233入门指南

针对AD8233的物联网节点应用

基于Wheatstone电桥的压力传感器应用就是适合采用固定增益100和图4失调校正电路的一个好例子。此电桥可自然地将输入共模电压设为+Vs/2。电桥可由REFOUT或非专用运算放大器驱动（具体取决于测量范围和所需电流），使得电桥的电源电流在关断模式下被禁用。图7显示的是一个示例电路。由于 AD5601 DAC具有低功耗（在3 V下为60 uA）、关断引脚和小巧的SC70封装，因此对于校正电桥和IA失调是一个不错的选择。运算放大器(A1)留作占位缓冲器，可用来设置附加增益/噪声滤波和60 Hz带宽。输出放大器驱动超低功耗ARM® Cortex®-M3 (ADuCM3029)的片上ADC，ADuCM3029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：低功耗压力传感器电路。

另一个可受益于图4电路的应用就是通过热电偶进行温度测量。K型热电偶在一个很宽的温度范围内几乎呈线性，其Seebeck系数在室温下(25° C)约为41 uV/°C。假设基准端或冷端已补偿，则IA输出将是测量端已获增益的信号~4.1 mV/°C（可使用NIST查询表以获得更准确的结果）热电偶的输出就是测量端和基准端之间的差分信号，因此，必须添加一个相等的基准端漂移来将其抵销。

要开始此过程，应先确定期望的基准端温度范围，并通过NIST表确定期望漂移。例如：

若在基准端放置一个精确的温度传感器，则测量结果可反馈至VTUNE，并通过–R2/R1调节以获得合适的漂移。请注意，应使温度传感器负向漂移，或者交换IA输入，以确保在IA输出得到正向漂移。为了隔离失调和漂移校正，可将该电路分解成一个加法节点，其中VTUNE2处的失调在–R2/R3作用下固定不变。更新后的传递函数如下：

经过修改的电路如图8所示。请注意，输入共模电压通过+IN上的10 MΩ上拉电阻和–IN上的10 MΩ下拉电阻设置为+Vs/2。此配置可在出现断线事件时将+IN上拉至+Vs，从而实现AD8233的导联脱落检测功能。这种情况可通过LOD引脚监测。AD8233还具有一个集成RFI滤波器，有助于从热电偶进行任何高频拾取。在输入端串联附加电阻可以降低截止频率。

图8. 集成参考结补偿和断线检测特性的热电偶电路。

结语：

对AD8233进行的分析表明，其应用范围不仅仅限于ECG前端。该器件无与伦比地结合了有效低功耗 (50 uA)、小巧的2 mm x 1.7 mmWLCSP封装、关断引脚以及灵活架构，从而实现了体积更小、重量更轻且电池寿命更长的设计。因此，下次您进行物联网、WSN或任何其他低功耗设计时，不妨考虑一下AD8233器件，想想您能用它实现什么电路。电池的寿命可能就取决于它了。

参考电路

Castro, Gustavo and Scott Hunt. "如何在对电桥传感器进行电路设计时避免陷入困境。" 模拟对话，第48卷，2014年。

Duff, Matthew and Joseph Towey. "两种简单、精确、灵活的热电偶温度测量方法。" 模拟对话，第44卷，2010年。

ITS-90 K型热电偶表。