【導(dǎo)讀】當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師尋找高能效的信號(hào)調(diào)理器件時(shí)，他們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，市面上能夠在100 uA電源電流下工作的IC很少，而其中具有小型封裝的器件就更是屈指可數(shù)了。對(duì)于日益增多的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)，電池壽命和電路板空間逐漸成為關(guān)鍵性規(guī)范，因此缺少可供使用的選項(xiàng)也許會(huì)令人沮喪。在搜索低功耗邊緣節(jié)點(diǎn)物聯(lián)網(wǎng)器件的過程中，某些模擬前端IC（比如可穿戴產(chǎn)品的心率監(jiān)測(cè)器）可能根本不會(huì)出現(xiàn)，或因其針對(duì)特定應(yīng)用而不予考慮。
然而有一款A(yù)DI ECG前端IC，它可以工作于50 uA電源電流下并具有小巧的2 mm × 1.7 mm WLCSP封裝，這款器件值得您在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用時(shí)稍加考慮。如果更深入地研究，人們會(huì)發(fā)現(xiàn)其靈活架構(gòu)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)儀表放大器(IA)和幾個(gè)運(yùn)算放大器，可通過配置形成一些實(shí)用的超低功耗信號(hào)處理電路，其適用范圍不僅僅限于醫(yī)療或保健應(yīng)用。
簡(jiǎn)化的單導(dǎo)聯(lián)心電圖(ECG)前端如圖1所示。它包括一個(gè)間接電流模式IA，具有獨(dú)立的傳遞函數(shù)：
在此前端示例中，固定增益為100。IA的基準(zhǔn)源由高通放大器(HPA)驅(qū)動(dòng)，該放大器配置為反饋網(wǎng)絡(luò)中的積分器，其輸入連接到IAOUT，通過外部電容和電阻設(shè)置截止頻率。HPA將迫使HPDRIVE達(dá)到任何所需電壓以保持HPSENSE以及IAOUT處于基準(zhǔn)電壓。該電路形成一個(gè)一階高通濾波器：
對(duì)于診斷級(jí)ECG，截止頻率通常設(shè)為0.05 Hz，而對(duì)于僅檢測(cè)心率的保健應(yīng)用，設(shè)為7 Hz可能比較合適。高通濾波器函數(shù)能夠解如何在放大高頻ECG信號(hào)（1 mV至2 mV）的同時(shí)抑制大直流半電池電位（因電極/皮膚接觸而導(dǎo)致）以及與ECG測(cè)量相關(guān)的低頻基線漂移的問題。由于直流半電池電位（高達(dá)300 mV）抑制發(fā)生在IA的輸入端，因此這種架構(gòu)能夠獲得很大的增益。另一個(gè)益處就是可以抑制IA的失調(diào)和失調(diào)漂移。監(jiān)測(cè)關(guān)于基準(zhǔn)電壓HPDRIVE將顯示自動(dòng)校正輸入失調(diào)的反相形式。
圖1. 簡(jiǎn)化的單導(dǎo)聯(lián)ECG前端。
雖然此設(shè)計(jì)的初衷是針對(duì)ECG應(yīng)用，但實(shí)際上任何需要放大低頻小信號(hào)（I A帶寬<1 kHz）的應(yīng)用都可受益于其低功耗和小尺寸。如果要進(jìn)行直流測(cè)量，則僅需對(duì)此電路進(jìn)行簡(jiǎn)單修改。圖2顯示固定增益為100的直流耦合I A。就是將圖1中的R和C去掉，并將HPSENSE短接到HPDRIVEA，從而使HPA成為一個(gè)單位增益緩沖器。這種方式也會(huì)迫使I A基準(zhǔn)保持基準(zhǔn)電壓。在此情況下應(yīng)考慮到I A的失調(diào)電壓。
圖2. 固定增益為100的直流耦合IA。
如果增益為100太高，或帶寬為1 kHz太低，則可按照?qǐng)D3所示修改此電路。這時(shí)HPA配置為一個(gè)反相放大器，增益為–R2/R1，其輸入為IAOUT的反饋。新的傳遞函數(shù)可簡(jiǎn)化如下：
將HPA配置為衰減器（R2 < R1）可實(shí)現(xiàn)低于100的增益。由于差分輸入的限值為300 mV，為確保電路的穩(wěn)定性，建議增益不應(yīng)低于10。下表中列出了一些可供考慮的增益配置。
表1. 具有不同增益和帶寬配置的直流耦合IA
圖3. 具有可調(diào)增益和帶寬的直流耦合IA。
如果直流精度依然很重要，則保留I A增益為100，并按照?qǐng)D4修改電路，以補(bǔ)償I A及任何附加傳感器的失調(diào)。調(diào)節(jié)后的傳遞函數(shù)如下：
VTUNE是用來校正失調(diào)電壓的源電壓，可由微控制器發(fā)出的PWM濾波信號(hào)提供或由低功耗DAC直接驅(qū)動(dòng)。HPA仍配置為一個(gè)增益為–R2/R1的反相放大器，可用于進(jìn)一步調(diào)節(jié)失調(diào)校正范圍和分辨率。對(duì)VIN進(jìn)行分解，然后帶入上式中，可得目標(biāo)傳遞函數(shù)：
總體失調(diào)可通過添加未施加VSIGNAL的傳感器進(jìn)行補(bǔ)償。僅需相對(duì)于基準(zhǔn)源測(cè)量IAOUT，并調(diào)節(jié)(R2/R1) VTUNE直到該電壓足夠接近于零。
圖4. 提供失調(diào)補(bǔ)償?shù)闹绷黢詈螴A。
將上述電路配置用于低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)之前，還應(yīng)了解 AD8233 ECG前端解決方案的其他部分。詳細(xì)電路如圖5所示。第一個(gè)運(yùn)算放大器A1并非專用，通常用于提供I A級(jí)后的附加增益和/或?yàn)V波功能。對(duì)于其他傳感器應(yīng)用也同樣有益。放大器A2通常用作ECG解決方案中的右腿驅(qū)動(dòng)。I A輸入共模的緩沖形式出現(xiàn)在A2負(fù)輸入端，此時(shí)：
通常會(huì)將此放大器配置成一個(gè)積分器，在RLDFB與RLD之間放置一個(gè)電容，通過RLD驅(qū)動(dòng)第三電極改善整體系統(tǒng)的共模抑制比(CMRR)。除非此放大器可以構(gòu)成有用的電路，否則最好是將RLDSDN數(shù)字輸入接地，同時(shí)保持RLD和RLDFB引腳浮空，從而降低放大器的功耗。
圖5：完整ECG和低功耗信號(hào)調(diào)理前端。
第三個(gè)運(yùn)算放大器A3是一個(gè)集成式基準(zhǔn)電壓源緩沖器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)片內(nèi)和片外REFOUT處的基準(zhǔn)電壓。REFIN通常設(shè)為+Vs/2，其中單電源+Vs的范圍是1.7V至3.5V。可采用一種簡(jiǎn)易的低功耗解決方案，接入兩個(gè)10 MΩ電阻作為+Vs至地的分壓器，如圖6所示。在REFIN和GND之間添加一個(gè)電容以協(xié)助任何噪聲拾取。REFIN也可以由ADC基準(zhǔn)源驅(qū)動(dòng)或用于IA輸出的電平轉(zhuǎn)換。
圖6：低功耗基準(zhǔn)電壓源。
數(shù)字輸入FR支持快速恢復(fù)功能，這對(duì)于圖1中的交流耦合電路十分有利。在啟動(dòng)過程中或輸入端出現(xiàn)直流階躍事件時(shí)，外部電容需要一段時(shí)間進(jìn)行充電。在此情況下，IA將進(jìn)入軌到軌模式，直到積分器已建立。自動(dòng)快速恢復(fù)可檢測(cè)到該事件，然后轉(zhuǎn)向與外部電阻并聯(lián)的更小電阻上并保持一定的時(shí)間，從而大幅加速了建立過程。SW引腳用于在必要時(shí)快速建立第二個(gè)外部高通濾波器。
AC/DC數(shù)字輸入決定了ECG應(yīng)用中使用的導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)方法，但也可用于輸入端為其他傳感器的斷線檢測(cè)。如果正確配置，當(dāng)IA的某個(gè)輸入與傳感器斷開連接時(shí)，數(shù)字輸出LOD將發(fā)出指示。
除了具有尺寸小和活動(dòng)功耗低的特點(diǎn)，AD8233還具有一個(gè)關(guān)斷引腳(SDN)，可使總電源電流降至1 uA以下。這對(duì)于不常進(jìn)行傳感器測(cè)量的應(yīng)用來說十分方便，可以顯著延長(zhǎng)總體電池壽命。即使在關(guān)斷模式下，斷線檢測(cè)仍將保持正常工作。
現(xiàn)在我們對(duì)整體AD8233芯片有了更詳細(xì)的了解，那么來看看關(guān)于傳感器應(yīng)用的幾種不同思路吧。表2列出了構(gòu)建非ECG電路的入門指南。
表2：針對(duì)非ECG應(yīng)用的AD8233入門指南
針對(duì)AD8233的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用
基于Wheatstone電橋的壓力傳感器應(yīng)用就是適合采用固定增益100和圖4失調(diào)校正電路的一個(gè)好例子。此電橋可自然地將輸入共模電壓設(shè)為+Vs/2。電橋可由REFOUT或非專用運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)（具體取決于測(cè)量范圍和所需電流），使得電橋的電源電流在關(guān)斷模式下被禁用。圖7顯示的是一個(gè)示例電路。由于 AD5601 DAC具有低功耗（在3 V下為60 uA）、關(guān)斷引腳和小巧的SC70封裝，因此對(duì)于校正電橋和IA失調(diào)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。運(yùn)算放大器(A1)留作占位緩沖器，可用來設(shè)置附加增益/噪聲濾波和60 Hz帶寬。輸出放大器驅(qū)動(dòng)超低功耗ARM® Cortex®-M3 (ADuCM3029)的片上ADC，ADuCM3029采用節(jié)省空間的WLCSP封裝。ADuCM3029的GPIO可以控制AD8233的關(guān)斷引腳。
圖7：低功耗壓力傳感器電路。
另一個(gè)可受益于圖4電路的應(yīng)用就是通過熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量。K型熱電偶在一個(gè)很寬的溫度范圍內(nèi)幾乎呈線性，其Seebeck系數(shù)在室溫下(25° C)約為41 uV/°C。假設(shè)基準(zhǔn)端或冷端已補(bǔ)償，則IA輸出將是測(cè)量端已獲增益的信號(hào)~4.1 mV/°C（可使用NIST查詢表以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果）熱電偶的輸出就是測(cè)量端和基準(zhǔn)端之間的差分信號(hào)，因此，必須添加一個(gè)相等的基準(zhǔn)端漂移來將其抵銷。
要開始此過程，應(yīng)先確定期望的基準(zhǔn)端溫度范圍，并通過NIST表確定期望漂移。例如：
若在基準(zhǔn)端放置一個(gè)精確的溫度傳感器，則測(cè)量結(jié)果可反饋至VTUNE，并通過–R2/R1調(diào)節(jié)以獲得合適的漂移。請(qǐng)注意，應(yīng)使溫度傳感器負(fù)向漂移，或者交換IA輸入，以確保在IA輸出得到正向漂移。為了隔離失調(diào)和漂移校正，可將該電路分解成一個(gè)加法節(jié)點(diǎn)，其中VTUNE2處的失調(diào)在–R2/R3作用下固定不變。更新后的傳遞函數(shù)如下：
經(jīng)過修改的電路如圖8所示。請(qǐng)注意，輸入共模電壓通過+IN上的10 MΩ上拉電阻和–IN上的10 MΩ下拉電阻設(shè)置為+Vs/2。此配置可在出現(xiàn)斷線事件時(shí)將+IN上拉至+Vs，從而實(shí)現(xiàn)AD8233的導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)功能。這種情況可通過LOD引腳監(jiān)測(cè)。AD8233還具有一個(gè)集成RFI濾波器，有助于從熱電偶進(jìn)行任何高頻拾取。在輸入端串聯(lián)附加電阻可以降低截止頻率。
圖8. 集成參考結(jié)補(bǔ)償和斷線檢測(cè)特性的熱電偶電路。
結(jié)語：
對(duì)AD8233進(jìn)行的分析表明，其應(yīng)用范圍不僅僅限于ECG前端。該器件無與倫比地結(jié)合了有效低功耗 (50 uA)、小巧的2 mm x 1.7 mmWLCSP封裝、關(guān)斷引腳以及靈活架構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了體積更小、重量更輕且電池壽命更長(zhǎng)的設(shè)計(jì)。因此，下次您進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)、WSN或任何其他低功耗設(shè)計(jì)時(shí)，不妨考慮一下AD8233器件，想想您能用它實(shí)現(xiàn)什么電路。電池的壽命可能就取決于它了。
參考電路
Castro, Gustavo and Scott Hunt. "如何在對(duì)電橋傳感器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)避免陷入困境。" 模擬對(duì)話，第48卷，2014年。
Duff, Matthew and Joseph Towey. "兩種簡(jiǎn)單、精確、靈活的熱電偶溫度測(cè)量方法。" 模擬對(duì)話，第44卷，2010年。
ITS-90 K型熱電偶表。
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