傳統(tǒng)臨床以外的新環(huán)境引發(fā)EEG和ECG設(shè)備的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

隨著腦部研究和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(shí)也引發(fā)新的設(shè)計(jì)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)上一直扮演著先驅(qū)者的角色。通過運(yùn)用ADI公司廣泛的放大器產(chǎn)品線，CareFusion得以優(yōu)化其模擬前端，應(yīng)對當(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，但是大部分理論對心電圖(ECG)設(shè)計(jì)工程師也會有所幫助。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引起較大的直流失調(diào)，測量系統(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)場的不同電極類型以及環(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。現(xiàn)有的功耗是每通道28mW，設(shè)計(jì)師希望將其降低到10mW以內(nèi)。對于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谳敵龆吮３趾愣?，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，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，對于電池供電應(yīng)用來說，功耗太大。

針對此應(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，但會有幾個(gè)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電壓的性能變差。儀表放大器設(shè)計(jì)師可以通過增加電路來應(yīng)對，但這種電路會增加輸入噪聲。

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換取更低的功耗。于是，他們開始尋找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，它的功耗非常低，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，它的功耗也非常小，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有任何一款儀表放大器滿足要求之后，CareFusion決定自行構(gòu)建。他們知道為獲得100dB以上的CMRR，減法器級中的電阻必須匹配。他們過去曾經(jīng)試驗(yàn)過匹配電阻網(wǎng)絡(luò)，但這種網(wǎng)絡(luò)非常昂貴，而且似乎從來沒有獲得期望的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)放大器比看起來更復(fù)雜。對于理想的運(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，對于1倍增益和1%電阻，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情況。當(dāng)頻率較高時(shí)，CMRR可能會進(jìn)一步下降。例如，如果因?yàn)?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/82/" target="_blank">PCB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會下降6dB~7dB。如果系統(tǒng)中有一個(gè)20kHz(或更高)開關(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最終也會受運(yùn)算放大器的限制。

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，處于0.1%到1%范圍，具有超過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電路板布局來實(shí)現(xiàn)。

考慮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，因此將放大器置于較低增益級實(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(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。

相對于集成儀表放大器，使用G=1/2的差動(dòng)放大器級是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儀表放大器簡圖。