當系統(tǒng)設計人員尋找高能效的信號調(diào)理元件時，他們可能會發(fā)現(xiàn)，在100 μA電源電流下可用的IC很少，而包含小型封裝型號的IC則更少。隨著電池壽命和電路板空間成為越來越多的無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）的關(guān)鍵規(guī)格，缺乏可用選項可能會令人沮喪。在尋找低功耗邊緣節(jié)點物聯(lián)網(wǎng)組件時，模擬前端IC（如可穿戴產(chǎn)品的心率監(jiān)測器）甚至可能不會出現(xiàn)，或者可能很快就會因過于特定于應用而被駁回。然而，在50 μA電源電流和2 mm×1.7 mm WLCSP封裝下，ADI ECG前端IC值得仔細研究。當深入挖掘時，他們會發(fā)現(xiàn)其靈活的架構(gòu)基本上是一個儀表放大器（IA）和少數(shù)運算放大器，可以配置為制造一些有用的超低功耗信號處理電路，而不僅僅是醫(yī)療保健或健身應用。

簡化的單導聯(lián)心電圖（ECG）前端如圖1所示。它由一個直流模式IA組成，具有以下獨立傳遞函數(shù)：

在此前端的情況下，給出100的固定增益。IA的基準電壓源由高通放大器（HPA）驅(qū)動，HPA配置為反饋中的積分器，其輸入與IA相連外交越頻率由外部電容器和電阻器設定。HPA將強制HPDRIVE達到保持HPSENSE所需的任何電壓，從而保持IA外在參考電壓下。該電路產(chǎn)生截止頻率的一階高通濾波器：

對于診斷質(zhì)量的ECG，截止頻率通常設置為0.05 Hz，而7 Hz可能僅適用于僅檢測心率的健身應用。高通濾波器功能解決了抑制與ECG測量相關(guān)的大直流半電池電位（由于電極/皮膚接觸）和低頻基線漂移的問題，同時放大了高頻ECG信號（1 mV至2 mV）。該架構(gòu)可實現(xiàn)大增益，因為直流半電池電位（高達300 mV）的抑制發(fā)生在IA輸入端。另一個好處是抑制了IA的失調(diào)和失調(diào)漂移。監(jiān)控 HPDRIVE 相對于 ref 將顯示正在自動校正的輸入偏移量的反轉(zhuǎn)版本。

圖1.簡化的單導聯(lián)心電圖前端。

雖然該設計最初針對ECG應用，但任何需要放大小低頻信號的應用都可以從其低功耗和小尺寸中受益，例如電磁水流量傳感器。如果需要直流測量，則只需對電路進行簡單的修改即可。圖2所示為固定增益為100的直流耦合IA。這是通過移除圖1中的R和C并將HPSENSE短路到HPDRIVE來完成的，使HPA成為一個單位增益緩沖器。這仍將強制IA基準電壓為基準電壓。在這種情況下，應考慮IA失調(diào)電壓。

圖2.直流耦合IA，固定增益為100。

如果增益100過高或1 kHz帶寬過低，則可以修改電路，如圖3所示。HPA現(xiàn)在配置為反相放大器，增益為–R2/R1，輸入從IA反饋外.新的傳遞函數(shù)可以簡化如下：

通過將HPA配置為衰減器（R2

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。

如果直流精度仍然很重要，則保持IA增益為100并按照圖4修改電路，提供了一種補償IA和任何連接傳感器偏移的方法。調(diào)整后的傳遞函數(shù)如下所示：

V調(diào)整是用于校正失調(diào)電壓的源電壓，可由微控制器濾波后的PWM信號提供，或直接由低功耗DAC驅(qū)動。HPA仍配置為負相放大器，增益為–R2/R1，可用于進一步調(diào)整失調(diào)校正的范圍和分辨率。分解 V在到組件并插入上式得到目標傳遞函數(shù)：

總偏移可以通過連接不帶V的傳感器來補償信號應用的。只需測量 IA外關(guān)于參考和調(diào)整 （R2/R1） V調(diào)整直到電壓足夠接近零。

圖4.具有失調(diào)補償?shù)闹绷黢詈螴A。

在將上述電路配置用于低功耗物聯(lián)網(wǎng)設計之前，應了解AD8233 ECG前端解決方案的其余部分。該電路詳見圖5。第一個運算放大器A1是完全非承諾的，通常用于IA級之后的額外增益和/或濾波。對于其他傳感器應用，它也可能具有類似的優(yōu)勢。放大器A2通常用作ECG解決方案中的右腿驅(qū)動。IA輸入共模的緩沖版本出現(xiàn)在A2的反相輸入端，其中：

放大器通常配置為積分器，在RLDFB和RLD之間放置一個電容，而RLD驅(qū)動第三個電極，以提高整體系統(tǒng)共模抑制比（CMRR）。除非可以從該放大器構(gòu)建有用的電路，否則最好通過將RLDSDN數(shù)字輸入接地，并使RLD和RLDFB引腳懸空來關(guān)斷放大器。

圖5.完整的ECG和低功耗信號調(diào)理前端。

第三個運算放大器A3是一個集成基準電壓緩沖器，可在REF上驅(qū)動片內(nèi)和片外基準電壓外.通常，參考文獻在設置為+Vs/2，其中單電源+V的范圍為1.7 V至3.5 V。一個簡單的低功耗解決方案是連接兩個10 MΩ電阻作為+Vs至GND的分壓器，如圖6所示。在 REF 之間添加一個電容器在和GND以幫助拾取任何噪音?；蛘?，參考文獻在可由ADC基準電壓源驅(qū)動，或用于對IA輸出進行電平轉(zhuǎn)換。

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圖6.低功耗基準電壓源。

數(shù)字輸入FR可實現(xiàn)快速恢復功能，這在使用圖1中的交流耦合電路時非常有用。在啟動期間或在輸入端發(fā)生直流階躍時，為外部電容器充電需要一些時間。發(fā)生這種情況時，IA 將進行鐵路處理，直到集成商穩(wěn)定下來。自動快速恢復功能可檢測到此事件，并將較小的電阻與外部電阻并聯(lián)切換固定時間，從而大大加快建立時間。如果需要，SW引腳用于快速建立第二個外部高通濾波器。

AC/DC數(shù)字輸入決定了ECG應用中使用的導聯(lián)脫落檢測方法，但也可以用作輸入端其他傳感器的斷線檢測。如果配置正確，數(shù)字輸出LOD將指示其中一個IA輸入何時與傳感器斷開連接。

除了小尺寸和低有功功耗外，AD8233還集成了一個關(guān)斷引腳（SDN），可將總電源電流降至1 μA以下。這在進行不頻繁的傳感器測量時很方便，這大大延長了整體電池壽命。即使在關(guān)斷模式下，斷線檢測也將保持功能。

現(xiàn)在，對AD8233芯片有了更好的了解，讓我們來看看幾種不同的傳感器應用思路。表2提供了構(gòu)建非ECG電路的入門指南。

表 2.AD8233 非ECG應用啟動指南

AD8233的物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點應用

圖4中的固定增益100和失調(diào)校正的一個很好的例子是基于惠斯通電橋的壓力傳感器應用。電橋自然地將輸入共模設置為+Vs/2。根據(jù)所需的測量范圍和電流，電橋可由REF驅(qū)動外或非專用運算放大器，使得橋式電源電流在關(guān)斷時被禁用。圖7所示為示例電路。AD5601 DAC具有低功耗（3 V時為60 μA）、關(guān)斷引腳和小型SC70封裝，是校正電橋和IA失調(diào)的理想選擇。運算放大器（A1）保留為占位符緩沖器，可選擇設置額外的增益或濾波噪聲和60 Hz。輸出放大器驅(qū)動超低功耗ARM Cortex-M3 （ADuCM3029）的板載ADC，該ADC也采用節(jié)省空間的WLCSP封裝。ADuCM3029的GPIO可以控制AD8233的關(guān)斷引腳。??

圖7.低功率壓力傳感器電路。

另一個可以利用圖4所示電路的應用是使用熱電偶進行溫度測量。K型熱電偶在很寬的溫度范圍內(nèi)具有相當?shù)木€性，室溫（25°C）下的塞貝克系數(shù)約為41μV/°C。假設對參考或冷結(jié)進行了補償，IA的輸出將是測量結(jié)的增益版本~4.1 mV/°C（要獲得更準確的結(jié)果，請使用NIST查找表）。熱電偶的輸出是測量結(jié)和參考結(jié)之間的差值，因此必須添加等效的參考結(jié)漂移才能消除它。

要開始該過程，請使用NIST表確定預期的參考結(jié)溫范圍，以確定預期的漂移。例如：

通過在參考接合點放置一個精確的溫度傳感器，可以將結(jié)果反饋到V中調(diào)整并通過 –R2/R1 進行調(diào)整以獲得正確的漂移。請注意，溫度傳感器的漂移應為負或交換IA輸入，以便在IA輸出端獲得正漂移。為了分離失調(diào)和漂移校正，可以將電路分成一個求和節(jié)點，其中失調(diào)固定在V調(diào)音2通過 –R2/R3。請參閱更新的傳遞函數(shù)：

修改后的電路如圖8所示。請注意，輸入共模設置為+Vs/2，+IN上拉10 MΩ上拉，–IN上拉10 MΩ。這種配置支持AD8233的導聯(lián)脫落檢測，在斷線時將+IN拉至+V。這可以在LOD引腳上監(jiān)控。AD8233還集成RFI濾波器，以協(xié)助熱電偶進行任何高頻拾取。將額外的電阻與輸入串聯(lián)可以降低截止頻率。

圖8.具有參考結(jié)補償和斷線檢測的熱電偶電路。

結(jié)論：

分解AD8233證明它不僅僅是一個ECG前端。其獨特的低功率有效 （50μA）、纖巧的 2 mm × 1.7 mm WLCSP 封裝、關(guān)斷引腳和靈活的架構(gòu)組合可實現(xiàn)更小、更輕的設計，并延長電池壽命。因此，下次您為物聯(lián)網(wǎng)、WSN或任何其他低功耗設計首字母縮略詞搜索元件時，請查看AD8233，看看你能想出什么電路。電池壽命可能取決于它。

審核編輯：郭婷