在上個(gè)月的博客文章中，我們討論了在存在大得多的直流偏移和低頻干擾的情況下測(cè)量小信號(hào)時(shí)，交流和直流耦合信號(hào)鏈之間的權(quán)衡。我們還表明，高通濾波器在交流耦合信號(hào)鏈中的位置很重要，會(huì)影響CMRR、輸入阻抗和前端可應(yīng)用的增益量等性能指標(biāo)。實(shí)現(xiàn)高通濾波器功能的另一種有趣方法如下圖1所示。積分器電路檢測(cè)儀表放大器的輸出，并將基準(zhǔn)引腳驅(qū)動(dòng)至所需的任何位置，以保持儀表放大器輸出直流偏置在V。裁判.通過反饋輸出的低通濾波版本并進(jìn)行反相處理，實(shí)現(xiàn)了高通濾波器傳遞函數(shù)。

圖 1 – 使用積分器反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)的高通濾波器

改進(jìn)的變體

圖1所示電路的一個(gè)不幸結(jié)果是，對(duì)于大多數(shù)傳統(tǒng)儀表放大器架構(gòu)（2或3 op-amp），失調(diào)消除發(fā)生在施加增益后，因此增益仍受電源電壓和失調(diào)大小的限制，以防止內(nèi)部節(jié)點(diǎn)飽和。圖2顯示了采用間接電流反饋架構(gòu)的變體，該架構(gòu)可在增益[1]之前進(jìn)行失調(diào)校正，是AD8233模擬前端設(shè)計(jì)的核心。這允許在低電源電壓 （100.300-1.7V） 下實(shí)現(xiàn)高增益 （3x） 和更高的失調(diào)校正（+/-5mV）。通過在AD8233上增加一個(gè)增益/低通濾波器級(jí)，所有信號(hào)調(diào)理都可以通過單個(gè)低功耗IC （50uA）周圍的外部無源器件完成。AD8233具有基準(zhǔn)電壓緩沖器、右腿驅(qū)動(dòng)、導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)、關(guān)斷和快速恢復(fù)等特性，為電池供電的生物電勢(shì)應(yīng)用提供了完整的解決方案（見下文圖3）。

圖 2 – 采用間接電流反饋架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的高通濾波器 [1]

圖 3 – AD8233，帶 2 個(gè)極點(diǎn)高通和低通濾波器以及額外增益

不同過濾器配置的靈活性

由于無源元件放置在AD8233外部，因此有多種配置可用于設(shè)置高通和低通截止頻率、每種極點(diǎn)數(shù)以及可根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用定制的額外增益。圖4和圖5分別顯示了AD8233在頻域和時(shí)域中的不同ECG配置。您可以看到，對(duì)于運(yùn)動(dòng)帶寬，應(yīng)用了一個(gè)具有高增益的非常窄的帶通濾波器，并產(chǎn)生了失真的信號(hào)。這適用于心率監(jiān)測(cè)器，因?yàn)?QRS 復(fù)合體中的頻率含量更高。對(duì)于更寬的監(jiān)控和診斷帶寬，增益受到限制，以避免帶內(nèi)干擾源飽和。

圖 4 – 三種 AD8233 ECG 配置的頻域信息

圖5 – 三種AD8233 ECG配置的時(shí)域信息

也可以為肌電圖或腦電圖實(shí)現(xiàn)不同的濾波器/增益配置。圖6顯示了不同類型的EEG信號(hào)及其相應(yīng)的帶寬。值得注意的是，高通濾波器還可以幫助濾除1/F噪聲。專用的AD8233濾波器設(shè)計(jì)工具可幫助優(yōu)化帶通濾波器。

圖 6 – EEG 信號(hào)類型和帶寬 [2]

快速還原概述

您是否曾經(jīng)使用過一件健身器材，試圖測(cè)量您的心率，然后等待令人沮喪的很長(zhǎng)時(shí)間才能出現(xiàn)該數(shù)字？這可能是由于交流耦合帶來的非常慢的時(shí)間常數(shù)。對(duì)于上電、快速步進(jìn)或初始電極連接等事件，大電容器需要一些時(shí)間充電?？焖倩謴?fù)電路可加快充電速度，可以手動(dòng)（按需）或自動(dòng)完成。AD8233通過檢測(cè)事件并聯(lián)切換較小的片內(nèi)電阻和較大的外部電阻來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)此目的，從而在預(yù)定時(shí)間內(nèi)有效降低高通濾波器的時(shí)間常數(shù)。圖7顯示了使用快速恢復(fù)對(duì)電極的改進(jìn)，該電極在三秒鐘后被移除并重新連接。

圖7 – 啟用和未啟用快速恢復(fù)的AD8233的ECG建立比較

ADC呢？

正如我們?cè)谏蟼€(gè)月的博客中所展示的，交流耦合降低了ADC的分辨率要求。如果成本和電路板面積是一個(gè)問題，則可以選擇將AD8233直接運(yùn)行到帶有嵌入式ADC的微控制器。如果電極/通道數(shù)和布線很重要，AD4695是一款易于驅(qū)動(dòng)的16通道、16位SAR ADC，可用于多路復(fù)用多達(dá)32個(gè)電極輸入。這是通過在每對(duì)電極附近定位一個(gè)AD8233并將其單端輸出路由到多路復(fù)用ADC來實(shí)現(xiàn)的，這比長(zhǎng)距離布線多個(gè)電極更可取。參見下面圖8中的信號(hào)鏈?zhǔn)纠?/p>

圖 8 – 高電極數(shù)的多通道信號(hào)鏈?zhǔn)纠?/p>

下次我們將討論超低功耗直流耦合解決方案的示例。

審核編輯：郭婷