應(yīng)對(duì)EEG和ECG設(shè)備的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在過(guò)去20年間，CareFusion Nicolet在EEG診斷系統(tǒng)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)上一直扮演著先驅(qū)者的角色。通過(guò)運(yùn)用ADI公司廣泛的放大器產(chǎn)品線，CareFusion得以?xún)?yōu)化其模擬前端，應(yīng)對(duì)當(dāng)今的EEG設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

雖然本文只涵蓋了一種EEG應(yīng)用，但是大部分理論對(duì)心電圖(ECG)設(shè)計(jì)工程師也會(huì)有所幫助。如同許多EEG和ECG設(shè)備設(shè)計(jì)者所知，電極中的半電池電位差異可能會(huì)引起較大的直流失調(diào)，測(cè)量系統(tǒng)必須能夠容忍此失調(diào)。CareFusion的現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以處理高達(dá)±900mV的失調(diào)。為了應(yīng)付現(xiàn)場(chǎng)的不同電極類(lèi)型以及環(huán)境條件，CareFusion希望將容差提高到±1300mV。與此同時(shí)，他們正在考慮電池供電設(shè)計(jì)的可能性，因此需大幅降低功耗，其中也包括儀表放大器?，F(xiàn)有的功耗是每通道28mW，設(shè)計(jì)師希望將其降低到10mW以?xún)?nèi)。對(duì)于ECG和EEG前端設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師面臨著噪聲、失調(diào)處理能力與功耗之間的取舍。

大部分儀表放大器具有因減法器級(jí)而導(dǎo)致的大量噪聲成分。在高增益應(yīng)用中，其影響不大，因?yàn)榇嗽肼晻?huì)在輸出端保持恒定，而與增益無(wú)關(guān)。然而在EEG和ECG應(yīng)用中，增益會(huì)被來(lái)自于電極的較大失調(diào)所限制。因此，如果希望使用大增益以獲得良好噪聲性能，那么失調(diào)要求將迫使設(shè)計(jì)采用大電源。

這就是CareFusion在采用AD8221儀表放大器的先前設(shè)計(jì)中采取的措施。AD8221的輸出噪聲為75nV/√Hz，輸入噪聲為8nV/√Hz。為降低大量輸出噪聲在折合到輸入端時(shí)所造成的影響，他們將AD8221設(shè)定至14.8的增益。該增益也會(huì)將共模抑制提高23dB，因?yàn)楣材Ｔ鲆鏋?。但是，為了以14.8的增益來(lái)處理900mV電極失調(diào)，必須使用115.5V直流電源軌。EEG放大器由64個(gè)這種通道組成，對(duì)于電池供電應(yīng)用來(lái)說(shuō)，功耗太大。

針對(duì)此應(yīng)用，真正理想的是具有低輸出噪聲的低功耗儀表放大器，然而這并不容易。儀表放大器的輸出噪聲主要由6個(gè)電阻決定(圖1中的R1至R6)，一個(gè)可能的解決方案是降低這些電阻的值，但會(huì)有幾個(gè)缺點(diǎn)：

圖1，標(biāo)準(zhǔn)儀表放大器配置。

1. 內(nèi)部?jī)x表放大器必須驅(qū)動(dòng)更多電流到這些電阻。為了在這種較高驅(qū)動(dòng)條件下保持良好的線性度，必須構(gòu)建輸出驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)的放大器，這就需要設(shè)計(jì)功率更高的放大器。而另一方面，將出現(xiàn)更大的電流流經(jīng)小值電阻的局面。

2. Rg增益設(shè)置電阻會(huì)變得更小，這在噪聲方面是件好事，但在較大差分過(guò)壓條件下，還不夠好。它會(huì)使放大器輸入端處理高增益配置下的大差分電壓的性能變差。儀表放大器設(shè)計(jì)師可以通過(guò)增加電路來(lái)應(yīng)對(duì)，但這種電路會(huì)增加輸入噪聲。

3. 隨著EEG設(shè)備減法器電路中的電阻變小，儀表放大器的輸入阻抗也會(huì)變小。這意味著，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)師希望用一個(gè)緩沖器驅(qū)動(dòng)此引腳(EEG應(yīng)用中常見(jiàn)情況)，那么在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)放大器必須具有非常低的輸出阻抗。

CareFusion決定用更高的噪聲來(lái)?yè)Q取更低的功耗。于是，他們開(kāi)始尋找AD8221的替代器件——功耗更低但仍然能滿(mǎn)足其它性能要求。他們考慮的一款儀表放大器是AD8235/36，它的功耗非常低，尺寸很小，但噪聲太高，最大供電軌為5V，無(wú)法滿(mǎn)足直流失調(diào)要求。

CareFusion考慮的另一款器件是AD627，它的功耗也非常小，并且支持寬電源軌。相對(duì)于功耗而言，它具有良好的性能。然而，它采用的是SOIC封裝，尺寸較大，不利于縮小電路板的尺寸。ADI公司還有許多300μA~500μA電源電流及寬電源范圍的器件，但所有這些器件都具有至少20nA的輸入偏置電流，超過(guò)了CareFusion設(shè)計(jì)的低于5nA的額定要求。發(fā)現(xiàn)ADI公司以及其它廠商沒(méi)有任何一款儀表放大器滿(mǎn)足要求之后，CareFusion決定自行構(gòu)建。他們知道為獲得100dB以上的CMRR，減法器級(jí)中的電阻必須匹配。他們過(guò)去曾經(jīng)試驗(yàn)過(guò)匹配電阻網(wǎng)絡(luò)，但這種網(wǎng)絡(luò)非常昂貴，而且似乎從來(lái)沒(méi)有獲得期望的CMRR性能。他們很快發(fā)現(xiàn)差動(dòng)放大器AD8278具有他們需要的性能和功耗。傳統(tǒng)的四電阻差動(dòng)放大器比看起來(lái)更復(fù)雜。對(duì)于理想的運(yùn)算放大器，CMRR受電阻匹配度限制(圖1中的R3-R6)。差動(dòng)放大器CMRR的近似計(jì)算公式如下：

Ad為差動(dòng)放大器的增益，t為電阻的容差。因此，對(duì)于1倍增益和1%電阻，CMRR=50V/V或大約34dB；對(duì)于0.1%電阻，CMRR=500V/V或大約54dB。上述公式適用于低頻情況。當(dāng)頻率較高時(shí)，CMRR可能會(huì)進(jìn)一步下降。例如，如果因?yàn)镻CB布局或內(nèi)部芯片布局的影響，兩個(gè)運(yùn)算放大器的輸入電容差為400fF~500fF，電阻為10kΩ，那么10kHz時(shí)的交流CMRR會(huì)下降6dB~7dB。如果系統(tǒng)中有一個(gè)20kHz(或更高)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，這可能很重要。即使具有理想的電阻和平衡電容，CMRR最終也會(huì)受運(yùn)算放大器的限制。

差動(dòng)放大器的性能主要分為兩類(lèi)。第一，典型的高端電流檢測(cè)應(yīng)用需要在電流范圍的高端具有3％~5%的精度。一個(gè)具有合理失調(diào)和1%電阻的低成本運(yùn)算放大器可以達(dá)成此需求。請(qǐng)記住，有一些低成本運(yùn)算放大器可能具有低于50dB的CMRR，這一點(diǎn)常常被忽略掉。第二，更精密的應(yīng)用，通常作為分立儀表放大器的第二級(jí)，處于0.1%到1%范圍，具有超過(guò)70dB~80dB的CMRR。這可以利用一個(gè)良好的運(yùn)算放大器、四個(gè)具有低溫度系數(shù)(TC)的匹配電阻，以及謹(jǐn)慎的PCB電路板布局來(lái)實(shí)現(xiàn)?？紤]到分立解決方案的總成本與電路板空間，單芯片差動(dòng)放大器看來(lái)極具吸引力。這正是CareFusion選擇AD8278的原因。他們將其增益配置為1/2，這使得他們能夠提高輸入緩沖器的增益，降低電源軌(最終確定為±7.5VDC)，并且滿(mǎn)足噪聲和直流失調(diào)容差要求。AD8278的增益可以配置為1/2或2。雖然CareFusion面對(duì)的是低噪聲應(yīng)用，他們?nèi)匀贿x擇將AD8278的增益配置為1/2。通常認(rèn)為，將放大器置于最高增益級(jí)可以獲得最佳的噪聲性能。然而，由于AD8278是該設(shè)計(jì)的第二級(jí)，因此將放大器置于較低增益級(jí)實(shí)際上有助于提高設(shè)計(jì)的噪聲性能。這樣就能在第一級(jí)中應(yīng)用更多增益。低噪聲設(shè)計(jì)的一個(gè)重要法則是讓第一級(jí)具有盡可能多的增益，本設(shè)計(jì)也不例外。將更多增益放在第一級(jí)也有助于提高儀表放大器的CMRR性能。我們可以根據(jù)先前關(guān)于電阻容差與CMRR關(guān)系的討論進(jìn)行計(jì)算，將差動(dòng)放大器的增益從1/2變?yōu)?時(shí)，CMRR將提高6dB。然而，如果我們?cè)诘谝患?jí)另外提供4倍的增益，那么差分增益將提高4倍，但共模增益保持不變。換言之，通過(guò)第一級(jí)放大，我們可以獲得12dB的額外CMRR，而將增益應(yīng)用于差動(dòng)放大器時(shí)，只能獲得6dB的提高。注意，這一技巧僅適用于第一級(jí)中的運(yùn)算放大器具有良好CMRR的情況，因此，使用高質(zhì)量運(yùn)算放大器相當(dāng)重要。相對(duì)于集成儀表放大器，使用G=1/2的差動(dòng)放大器級(jí)是CareFusion優(yōu)化分立設(shè)計(jì)的方法之一。通常，集成儀表放大器必須將內(nèi)部差動(dòng)放大器的增益設(shè)置為1或更高，因?yàn)檩^低的差動(dòng)放大器增益會(huì)限制儀表放大器處理寬共模電壓擺幅的能力。經(jīng)過(guò)大量搜索后，CareFusion選擇AD8622作為輸入緩沖運(yùn)算放大器。該運(yùn)放具有他們需要的全部特性：小封裝尺寸、低功耗、低輸入偏置電流、低0.1Hz~10Hz噪聲和寬電源軌。還有一個(gè)重要特性是單位增益穩(wěn)定性。雖然運(yùn)算放大器以10倍增益工作，但在儀表放大器配置中，共模信號(hào)看到的增益是1，因此可能會(huì)引發(fā)穩(wěn)定性問(wèn)題。

CareFusion劃分系統(tǒng)的方式獨(dú)具匠心。有時(shí)候，一個(gè)四通道運(yùn)算放大器的三部分被用于構(gòu)建儀表放大器，這是很容易掉入的陷阱。

圖2， CareFusion儀表放大器簡(jiǎn)圖。

依據(jù)Vos、TCVos、增益、帶寬、CMRR等來(lái)看，第一級(jí)的需求與差動(dòng)放大器級(jí)是完全不同的。為了獲得最后10%的性能，第一級(jí)使用雙通道放大器，第二級(jí)使用單通道放大器非常有意義。為了在運(yùn)算放大器中獲得低電壓噪聲，輸入級(jí)需要消耗第二級(jí)當(dāng)中并不需要的大量電流。假如第二級(jí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)重負(fù)載，那么就需要比第一級(jí)運(yùn)算放大器更多的驅(qū)動(dòng)。四通道放大器的另一個(gè)缺點(diǎn)是：輸出運(yùn)算放大器的熱量可能會(huì)反饋到同一封裝中其它運(yùn)算放大器的第一級(jí)。

CareFusion的第一選擇本來(lái)是使用集成儀表放大器，藉以節(jié)省電路板空間。然而，使用精密差動(dòng)放大器后，確實(shí)使他們可以對(duì)儀表放大器進(jìn)行微調(diào)，而不需要昂貴且占用電路板空間的電阻網(wǎng)絡(luò)。他們得以顯著降低功耗，同時(shí)仍然保持重要的性能特性，像是噪聲、CMRR以及直流輸入容差等(圖2)。