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

1、應(yīng)對(duì)eeg和ecg設(shè)備的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn) 隨著腦部討論和eeg診斷的持續(xù)突破，人們期望eeg監(jiān)測(cè)裝置也能夠在傳統(tǒng)臨床環(huán)境以外的新環(huán)境中運(yùn)作，而這些新的環(huán)境同時(shí)也引發(fā)新的設(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)上向來(lái)飾演著先驅(qū)者的角色。通過(guò)運(yùn)用公司廣泛的產(chǎn)品線，carefusion得以優(yōu)化其，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)有所協(xié)助。猶如許多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)必需能夠容忍此失調(diào)。carefusion的現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以處

2、理高達(dá)±900mv的失調(diào)。為了對(duì)付現(xiàn)場(chǎng)的不同電極類(lèi)型以及環(huán)境條件，carefusion希翼將容差提高到±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)師希翼將其降低到10mw以內(nèi)。對(duì)于ecg和eeg前端設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師瀕臨著噪聲、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，由于此噪聲會(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，假如希翼用法大增益以獲得良好噪聲性能，那么失

3、調(diào)要求將迫使設(shè)計(jì)采納大電源。這就是carefusion在采納ad8221儀表放大器的從前設(shè)計(jì)中實(shí)行的措施。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，由于共模增益為1。但是，為了以14.8的增益來(lái)處理900mv電極失調(diào)，必需用法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，真正抱負(fù)的是具有低輸出噪聲的低功耗儀表放大器，然而這并不簡(jiǎn)單。儀表放大器的輸出噪聲主要由6個(gè)打算(圖1中的r1至r6)，一個(gè)可能

4、的解決計(jì)劃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表放大器必需驅(qū)動(dòng)更多到這些電阻。為了在這種較高驅(qū)動(dòng)條件下保持良好的線性度，必需構(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，將浮現(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的性能變差。儀表放大器設(shè)計(jì)師可以通過(guò)增強(qiáng)來(lái)應(yīng)對(duì)，但這種電路會(huì)增強(qiáng)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，假如系統(tǒng)設(shè)計(jì)師希翼用一個(gè)緩沖器驅(qū)動(dòng)此引腳

5、(eeg應(yīng)用中常見(jiàn)狀況)，那么在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)放大器必需具有十分低的輸出阻抗。carefusion打算用更高的噪聲來(lái)?yè)Q取更低的功耗。于是，他們開(kāi)頭尋覓ad8221的替代器件功耗更低但仍然能滿足其它性能要求。他們考慮的一款儀表放大器是ad8235/36，它的功耗十分低，尺寸很小，但噪聲太高，最大供電軌為5v，無(wú)法滿足直流失調(diào)要求。carefusion考慮的另一款器件是ad627，它的功耗也十分小，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，它采納的是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300a500a電源電流及寬電源范圍的器件，但全部這些器件都具

6、有起碼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)覺(jué)adi公司以及其它廠商沒(méi)有任何一款儀表放大器滿足要求之后，carefusion打算自行構(gòu)建。他們知道為獲得100db以上的cmrr，減法器級(jí)中的電阻必需匹配。他們過(guò)去曾經(jīng)實(shí)驗(yàn)過(guò)匹配電阻網(wǎng)絡(luò)，但這種網(wǎng)絡(luò)十分昂貴，而且似乎從來(lái)沒(méi)有獲得期望的cmrr性能。他們很快發(fā)覺(jué)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)于抱負(fù)的，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

7、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狀況。當(dāng)頻率較高時(shí)，cmrr可能會(huì)進(jìn)一步下降。例如，假如由于布局或內(nèi)部芯片布局的影響，兩個(gè)運(yùn)算放大器的輸入差為400ff500ff，電阻為10k，那么10khz時(shí)的溝通cmrr會(huì)下降6db7db。假如系統(tǒng)中有一個(gè)20khz(或更高)開(kāi)關(guān)調(diào)整器，這可能很重要。即使具有抱負(fù)的電阻和平衡電容，cmrr終于也會(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35%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

8、，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)經(jīng)常被忽視掉。其次，更精密的應(yīng)用，通常作為分立儀表放大器的其次級(jí)，處于0.1%到1%范圍，具有超過(guò)70db80db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]到分立解決計(jì)劃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挑選ad8278的緣由。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(終于確定為±7.5vdc)，并且滿足噪聲和直流失調(diào)容差要求。ad8278的增益可以配置為1/2或2。雖

9、然carefusion面向的是低噪聲應(yīng)用，他們?nèi)匀惶暨x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，因?yàn)閍d8278是該設(shè)計(jì)的其次級(jí)，因此將放大器置于較低增益級(jí)事實(shí)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。我們可以按照從前關(guān)于電阻容差與cmrr關(guān)系的研究舉行計(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，假如我們?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

10、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。注重，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的狀況，因此，用法高質(zhì)量運(yùn)算放大器相當(dāng)重要。相對(duì)于集成儀表放大器，用法g=1/2的差動(dòng)放大器級(jí)是carefusion優(yōu)化分立設(shè)計(jì)的辦法之一。通常，集成儀表放大器必需將內(nèi)部差動(dòng)放大器的增益設(shè)置為1或更高，由于較低的差動(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)大量搜尋后，carefusion挑選ad8622作為輸入緩沖運(yùn)算放大器。該運(yùn)放具有他們需要的所有特性：小封裝尺寸、低功耗、低輸入偏置電流、低0.1hz10h

11、z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)的方式別具一格。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，這是很簡(jiǎn)單掉入的陷阱。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)是徹低不同的。為了獲得最后10%的性能，第一級(jí)用法雙通道放大器，其次級(jí)用法單通道放大器十分故意義。為了在運(yùn)算放大器中獲得低電壓噪聲，輸入級(jí)需要消耗其次級(jí)當(dāng)中并不需要的大量電流。如果其次級(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