精密低功耗：生物電位信號鏈中的導聯(lián)脫落檢測

在上一篇博文中，我討論了電極模型和管理干電極的挑戰(zhàn)。基于這些信息，讓我們轉(zhuǎn)向電極或引線（電極對）脫落檢測的主題，以及此功能如何影響信號鏈的功率和性能。導聯(lián)脫落檢測是一種提供一些指示（通常是邏輯信號或中斷）的方法，表明用戶已充分連接到電極，以便可以進行生物電位信號測量。

那么這對功率有什么影響呢？首先，當不使用手表或胸帶等設備時，您不會希望不必要地消耗電力。在這種狀態(tài)下，一些“導聯(lián)脫落”情況的指示可以使信號鏈中的組件斷電。類似地，“導聯(lián)開啟”條件可以作為喚醒信號，提醒微處理器為組件上電和/或再次開始測量。使用圖8233中AD1的導聯(lián)脫落檢測（LOD）和關斷（SDN）引腳的示例顯示此類序列。導聯(lián)脫落檢測電路也增加了總功耗。如果該功能在斷電期間仍處于活動狀態(tài)，這可能更為重要。

圖1 AD8233的電極連接和系統(tǒng)喚醒順序

導聯(lián)脫落檢測的實施將取決于使用兩個或三個電極，并且還可以提供輸入偏置（參見第五篇博客）。從性能角度來看，任何接觸電極的電路都會影響輸入阻抗，輸入電流會導致電極極化和差分偏移增加。

雙電極直流導聯(lián)脫落檢測

圖2顯示了雙電極溶液的直流導聯(lián)脫落檢測實現(xiàn)方案。上拉電阻（R濮） 連接到一個輸入端和一個相等的下拉電阻 （R帕金森） 連接到另一個輸入上的地。Rtotal表示兩個電極的體阻抗和接觸阻抗。一種簡化的觀察方式是，如果Rtotal為開路，則儀表放大器的輸入將拉開并軌輸出指示“導聯(lián)斷開”。如果任一電極斷開連接，就會發(fā)生這種情況。當兩個電極都連接時，Rtotal近似為短路，則輸入將偏置至中間電源（+Vs/2）。

圖 2 – 雙電極溶液的直流導聯(lián)脫落檢測和偏置

實際上，電極接觸阻抗會導致一些差分偏移和R濮和 R帕金森應做得足夠大（例如 10MΩ 以啟動），以盡量減少通過電極的電流。電流以相等和相反的方向流過電極的事實意味著它們的極化將不同。這就是我更喜歡下一節(jié)中討論的三電極解決方案的原因之一?！耙€脫落”指示器也可能來自低功耗比較器。比較器用于監(jiān)視儀表放大器輸入端的電壓，并允許預設閾值電壓。

三電極直流導聯(lián)脫落檢測

在圖3所示的三電極溶液中，輸入偏置（Vbias）由第三個電極提供。現(xiàn)在，每個輸入都有一個上拉電阻連接到高電源，這樣，如果電極1至3（Rc1-Rc3）上失去接觸，單獨的比較器可以檢測哪個輸入電極受損。通過使電流在Rc1和Rc2中沿同一方向流動，電極的極化應該更好地跟蹤并導致共模偏移，而不是大的差分偏移。

圖 3 – 三電極解決方案的直流引線脫落檢測和偏置

也可以使用直流電流源代替上拉電阻。這有助于消除電流對電源電壓和Vbias的依賴性，同時還可以將輸入阻抗與電流幅度去耦。這些電流的可編程性以及比較器閾值電壓增加了不同電極類型的靈活性。斷開電流源的能力可實現(xiàn)抽查而不是始終在線的方法。

交流導聯(lián)脫落檢測

使用交流引線脫落檢測可以利用電極模型包括一個電容器和一個電阻器并聯(lián)的事實。這意味著電極阻抗與頻率有關，在較高頻率下可能更小。圖6000中ADPD4框圖所示的交流電流源允許零直流電流（無電極極化），并且可以設置為雙電位信號帶寬之外的頻率（本例中為4kHz）。源電流和灌電流在兩個ECG通道輸入之間來回切換，以產(chǎn)生交流電流。相應電壓信號的幅度可以通過相同的ECG通道測量，并同步解調(diào)，以便與可編程閾值電壓進行比較。

圖 4 – ADPD6000 中的交流導聯(lián)脫落檢測

ADAS1021和MAX30003等其他集成解決方案還包括多種不同的選項，可用于實現(xiàn)導聯(lián)脫落檢測。

審核編輯：郭婷