應(yīng)對EEG和ECG設(shè)備的設(shè)計挑戰(zhàn)

1、應(yīng)對eeg和ecg設(shè)備的設(shè)計挑戰(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)境同時也引發(fā)新的設(shè)計挑戰(zhàn)。在過去20年間，carefusion nicolet在eeg診斷系統(tǒng)領(lǐng)域的開發(fā)上向來飾演著先驅(qū)者的角色。通過運(yùn)用公司廣泛的產(chǎn)品線，carefusion得以優(yōu)化其，應(yīng)對當(dāng)今的eeg設(shè)計挑戰(zhàn)。雖然本文只涵蓋了一種eeg應(yīng)用，但是大部分理論對心電圖(ecg)設(shè)計工程師也會有所協(xié)助。猶如許多eeg和ecg設(shè)備設(shè)計者所知，電極中的半電池電位差異可能會引起較大的直流失調(diào)，測量系統(tǒng)必需能夠容忍此失調(diào)。carefusion的現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計可以處

2、理高達(dá)±900mv的失調(diào)。為了對付現(xiàn)場的不同電極類型以及環(huán)境條件，carefusion希翼將容差提高到±1300mv。與此同時，他們正在考慮電池供電設(shè)計的可能性，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)計師希翼將其降低到10mw以內(nèi)。對于ecg和eeg前端設(shè)計，設(shè)計師瀕臨著噪聲、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，由于此噪聲會在輸出端保持恒定，而與增益無關(guān)。然而在eeg和ecg應(yīng)用中，增益會被來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)計采納大電源。這就是carefusion在采納ad8221儀表放大器的從前設(shè)計中實(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所造成的影響，他們將ad8221設(shè)定至14.8的增益。該增益也會將共模抑制提高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個這種通道組成，對于電池供電應(yīng)用來說，功耗太大。針對此應(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，然而這并不簡單。儀表放大器的輸出噪聲主要由6個打算(圖1中的r1至r6)，一個可能

4、的解決計劃是降低這些電阻的值，但會有幾個缺點(diǎn)：圖1，標(biāo)準(zhǔn)儀表放大器配置。1. 內(nèi)部儀表放大器必需驅(qū)動更多到這些電阻。為了在這種較高驅(qū)動條件下保持良好的線性度，必需構(gòu)建輸出驅(qū)動能力更強(qiáng)的放大器，這就需要設(shè)計功率更高的放大器。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)置電阻會變得更小，這在噪聲方面是件好事，但在較大差分過壓條件下，還不夠好。它會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)計師可以通過增強(qiáng)來應(yīng)對，但這種電路會增強(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變小。這意味著，假如系統(tǒng)設(shè)計師希翼用一個緩沖器驅(qū)動此引腳

5、(eeg應(yīng)用中常見狀況)，那么在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)，驅(qū)動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換取更低的功耗。于是，他們開頭尋覓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，超過了carefusion設(shè)計的低于5na的額定要求。發(fā)覺adi公司以及其它廠商沒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，減法器級中的電阻必需匹配。他們過去曾經(jīng)實(shí)驗(yàn)過匹配電阻網(wǎng)絡(luò)，但這種網(wǎng)絡(luò)十分昂貴，而且似乎從來沒有獲得期望的cmrr性能。他們很快發(fā)覺差動放大器ad8278具有他們需要的性能和功耗。傳統(tǒng)的四電阻差動放大器比看起來更復(fù)雜。對于抱負(fù)的，cmrr受電阻匹配度限制(圖1中的r3-r6)。差動放大器cmrr的近似計算公式如下：ad為差動放大器的增益，t為電阻的容差。因此，對于1倍增益和1%電

7、阻，cmrr=50v/v或大約34db；對于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，cmrr可能會進(jìn)一步下降。例如，假如由于布局或內(nèi)部芯片布局的影響，兩個運(yùn)算放大器的輸入差為400ff500ff，電阻為10k，那么10khz時的溝通cmrr會下降6db7db。假如系統(tǒng)中有一個20khz(或更高)開關(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終于也會受運(yùn)算放大器的限制。差動放大器的性能主要分為兩類。第一，典型的高端電流檢測應(yīng)用需要在電流范圍的高端具有35%的精度。一個具有合理失調(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，處于0.1%到1%范圍，具有超過70db80db的cmrr。這可以利用一個良好的運(yùn)算放大器、四個具有低溫度系數(shù)(tc)的匹配電阻，以及謹(jǐn)慎的pcb電路板布局來實(shí)現(xiàn)。考慮到分立解決計劃的總成本與電路板空間，單芯片差動放大器看來極具吸引力。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可以獲得最佳的噪聲性能。然而，因?yàn)閍d8278是該設(shè)計的其次級，因此將放大器置于較低增益級事實(shí)上有助于提高設(shè)計的噪聲性能。這樣就能在第一級中應(yīng)用更多增益。低噪聲設(shè)計的一個重要法則是讓第一級具有盡可能多的增益，本設(shè)計也不例外。將更多增益放在第一級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)系的研究舉行計算，將差動放大器的增益從1/2變?yōu)?時，cmrr將提高6db。然而，假如我們在第一級另外提供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，通過第一級放大，我們可以獲得12db的額外cmrr，而將增益應(yīng)用于差動放大器時，只能獲得6db的提高。注重，這一技巧僅適用于第一級中的運(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。相對于集成儀表放大器，用法g=1/2的差動放大器級是carefusion優(yōu)化分立設(shè)計的辦法之一。通常，集成儀表放大器必需將內(nèi)部差動放大器的增益設(shè)置為1或更高，由于較低的差動放大器增益會限制儀表放大器處理寬共模電壓擺幅的能力。經(jīng)過大量搜尋后，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，共模信號看到的增益是1，因此可能會引發(fā)穩(wěn)定性問題。carefusion劃分系統(tǒng)的方式別具一格。有時候，一個四通道運(yùn)算放大器的三部分被用于構(gòu)建儀表放大器，這是很簡單掉入的陷阱。圖2， carefusion儀表放大器簡圖。依據(jù)vos、tcvos、增益、帶寬、cmrr等來看，第一級的需求與差動放大器級是徹低不同的。為了獲得最后10%的性能，第一級用法雙通道放大器，其次級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，輸入級需要消耗其次級當(dāng)中并不需要的大量電流。如果其次級驅(qū)動一個重負(fù)載，那么就需要比第一級運(yùn)算放大器更多的驅(qū)動。四通道放大器的另一個缺點(diǎn)是：輸出運(yùn)算放大器