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支持超低功耗物联网节点信号处理设计的ECG前端IC

作者:David Plourde时间:2019-11-29来源:电子产品世界777彩票客户端

当系统设计师寻找高能效的信号调理器件时,他们可能会发现,市面上能够在100 uA电源电流下工作的IC很少,而其中具有小型封装的器件就更是屈指可数了。对于日益增多的无线传感器网络(WSN),电池寿命和电路板空间逐渐成为关键性规范,因此缺少可供使用的选项也许会令人沮丧。在搜索低功耗边缘节点器件的过程中,某些模拟(比如可穿戴产品的心率监测器)可能根本不会出现,或因其针对特定应用而不予考虑。然而有一款 ,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。

本文引用地址:http://777cpkhd.8hbs.com/article/201911/407689.htm

简化的单导联心电图()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:

微信截图_20191129152308.png

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:

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对于诊断级,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。

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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。

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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:

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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。...........

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