EEG/ECG裝置設(shè)計(jì)新突破，精密差分放大器成效斐然
隨著腦部研究的持續(xù)突破,，EEG監(jiān)測(cè)裝置也被期望能用于傳統(tǒng)臨床應(yīng)用以外的新環(huán)境,，因而面臨新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。藉由精密差動(dòng)放大器可將ECG監(jiān)測(cè)裝置模擬前端予以最佳化,，無(wú)須使用昂貴且占電路板空間的消耗性電阻網(wǎng)絡(luò)，即可突破棘手的開(kāi)發(fā)瓶頸,。
腦波記錄儀(EEG)監(jiān)測(cè)功能被應(yīng)用在神經(jīng)系統(tǒng)分析、做為睡眠研究,、腦功能區(qū)定位(Brain Mapping)，以及重癥加護(hù)病房(ICU)病患大腦活動(dòng)的監(jiān)測(cè)等方面,。隨著腦部研究以及所做EEG診斷的持續(xù)突破，EEG監(jiān)測(cè)裝置也被期望能夠在傳統(tǒng)臨床環(huán)境以外的新環(huán)境運(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)去的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,。CareFusion運(yùn)用了亞德諾(ADI)廣大的放大器產(chǎn)品線,，得以將其模擬前端予以最佳化,，使能符合現(xiàn)今的EEG設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),。雖然本文只涵蓋了一種EEG應(yīng)用裝置,，但是大部分的理論也都能夠?qū)π碾妶D(ECG)的設(shè)計(jì)廠商有所幫助,。
因應(yīng)電極類(lèi)型/環(huán)境條件 提高容錯(cuò)度降低功耗
如同許多EEG以及ECG的設(shè)計(jì)廠商所知，在電極中的半電池電位差異可能會(huì)產(chǎn)生出大量直流電(DC)偏移,，而此偏移必須是量測(cè)系統(tǒng)所能夠容忍的。CareFusion的現(xiàn)有系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上可以處理高達(dá)±900毫伏特(mV)的偏移,。為了要應(yīng)付在現(xiàn)場(chǎng)所遇到的不同電極類(lèi)型以及環(huán)境條件，CareFusion希望將容錯(cuò)度提高到±1300毫伏特,。與此同時(shí)，他們正在考慮以電池供電設(shè)計(jì)的可能性,，因此須要大幅降低所有組件的功率耗損,，其中也包括儀表放大器?，F(xiàn)有系統(tǒng)的功率耗損是每通道28毫瓦(mW),，而設(shè)計(jì)廠商正在設(shè)法將其降低至10毫瓦或是更低,。設(shè)計(jì)廠商所面對(duì)的是在ECG與EEG前端設(shè)計(jì)中(圖1),，對(duì)于噪聲,、偏移處理能力以及功率耗損等因素固有的權(quán)衡取舍,。
圖1 EEG訊號(hào)鏈
大部分的儀表放大器會(huì)具有因?yàn)闇p法器級(jí)的噪聲導(dǎo)致大量的噪聲成分。無(wú)論增益如何,，在高增益應(yīng)用裝置當(dāng)中,，這不會(huì)有所影響,，因?yàn)榇嗽肼晻?huì)在輸出端維持恒定,。因此當(dāng)噪聲被參照至輸入端時(shí),，會(huì)顯得相當(dāng)?shù)男?。不幸的是，在EEG以及ECG應(yīng)用裝置當(dāng)中,，增益會(huì)被來(lái)自于電極的大量偏移所限制,。因此,，假如你希望使用大增益以獲得良好噪聲性能的話,，那么偏移的需求會(huì)迫使設(shè)計(jì)必須采用大的電源供應(yīng),。
這就是CareFusion在采用AD8221儀表放大器的先前設(shè)計(jì)當(dāng)中所做的措施。AD8221的輸出噪聲是75nV/rt-Hz,，而輸入噪聲則是8nV/rt-Hz,。為了要降低大量輸出噪聲在參照到輸入端時(shí)所造成的影響,，他們將AD8221設(shè)定至14.8的增益(噪聲計(jì)算的細(xì)節(jié)請(qǐng)參照公式1與2),。
計(jì)算AD8221在0.1～100Hz BW的預(yù)期p-p噪聲,，顯示出增益的影響(忽略了電流噪聲，因?yàn)殡姌O阻抗很低),。加入1/f噪聲(依據(jù)技術(shù)手冊(cè)使用增益=10),。
‥公式1
‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式2
其增益也會(huì)使共模拒斥提高23分貝(dB),，因?yàn)楣材Ｔ鲆媸且恢碌?參照公式3)。計(jì)算AD8221 BR的預(yù)期最小共模訊號(hào)拒斥比(CMRR),，顯示出因?yàn)樵鲆娑斐傻奶岣摺?依據(jù)技術(shù)手冊(cè)使用增益=1),。
‥‥‥‥‥‥公式3
但是接著為了要以14.8的增益去處理900mV的電極偏移，就需要±15.5VDC的電源軌(參照公式4),。使用六十四組的這種通道去組成他們的EEG放大器時(shí)，對(duì)于以電池供電的應(yīng)用裝置來(lái)說(shuō)其功率耗損會(huì)太高,。
‥‥‥‥‥‥‥‥公式4
針對(duì)此應(yīng)用裝置來(lái)說(shuō)，真正最適合的是具有低輸出噪聲的低功率儀表放大器,。然而此并非能夠直接達(dá)成,。儀表放大器的輸出噪聲主要是藉由六個(gè)電阻驅(qū)動(dòng)(圖2當(dāng)中的R1～R6)。有一種可能的解決方案是降低這些電阻值,，但是這樣會(huì)具有幾項(xiàng)缺點(diǎn),。
圖2標(biāo)準(zhǔn)的儀表放大器組態(tài)設(shè)定
首先第一個(gè)缺點(diǎn)是現(xiàn)在內(nèi)部的儀表放大器必須要驅(qū)動(dòng)更多的電流進(jìn)入這些電阻當(dāng)中。為了要在這種較高驅(qū)動(dòng)條件下維持良好的線性度,，放大器必須要以更強(qiáng)的輸出驅(qū)動(dòng)加以設(shè)計(jì),，而這將須要設(shè)計(jì)一組更高功率的放大器。這會(huì)使得目前流經(jīng)較低電阻值的電阻增加額外電流,。
其次Rg增益設(shè)定電阻會(huì)變得更小,。對(duì)于噪聲而言這是件好事，但是假如你預(yù)期的是大量的差動(dòng)過(guò)電壓狀況,，那可就不是好事了。在高增益的組態(tài)設(shè)定下,，它會(huì)使得放大器的輸入對(duì)于大量的差動(dòng)電壓變得較不穩(wěn)固,。儀表放大器設(shè)計(jì)廠商可以增加電路來(lái)對(duì)抗這種問(wèn)題，但是該電路也會(huì)使輸入噪聲提高,。這點(diǎn)對(duì)于EEG裝置生產(chǎn)廠商來(lái)說(shuō)并不是那么大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樵陔姌O輸入上已經(jīng)具有保護(hù)電路了,。
第三,，隨著EEG裝置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,。這代表的是假如系統(tǒng)設(shè)計(jì)廠商希望以一顆緩沖器驅(qū)動(dòng)此接腳時(shí)(這是在EEG應(yīng)用裝置中十分常見(jiàn)的狀況)，驅(qū)動(dòng)放大器必須具有相對(duì)于所需頻率范圍非常低的輸出阻抗,。否則,，它將會(huì)造成系統(tǒng)的CMRR相對(duì)于頻率的下降。較低的輸出阻抗相對(duì)于頻率需要較高的功率驅(qū)動(dòng)放大器,。
CareFusion決定針對(duì)較低功耗的需求對(duì)較高噪聲做一取舍,。即使用AD8221做為低功率替代方案，希望其能滿足其它效能的需求,。雖然曾考慮采用的儀表放大器是AD8235/36,，且這組組件的功耗很低而且尺寸很小，但是噪聲太多又具有5伏特(V)的最大電壓軌,，無(wú)法符合所需的直流電偏移規(guī)格,。這些組件都是以互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)為基礎(chǔ)僅消耗40微安培(μA)的儀表放大器；在功耗比性能重要的ECG監(jiān)測(cè)應(yīng)用裝置中十分常見(jiàn),，但是對(duì)于CareFusion所設(shè)計(jì)的診斷用EEG來(lái)說(shuō)還不夠好。
CareFusion所考慮采用的另一組組件則是AD 627,。該組件也消耗非常少的功率,，并且容許寬廣的電源軌。工程師過(guò)去就已經(jīng)對(duì)該組件的噪聲進(jìn)行過(guò)測(cè)試,，并且了解其具有良好的功率耗損性能,。然而，該組件采用SOIC封裝方式,，以目前來(lái)說(shuō)尺寸太大,，對(duì)于減少電路板空間沒(méi)有幫助。
ADI提供了具有300～500微安培供應(yīng)電流以及寬廣電源供應(yīng)范圍的廣泛組件,，例如AD8226與AD8227,。然而，這些組件都具有至少20奈安培(nA)的輸入偏壓電流,，超過(guò)了CareFusion設(shè)計(jì)的低于5奈安培特定需求,。AD8221同時(shí)采用了輸入偏壓電流補(bǔ)償以及超級(jí)測(cè)試(Superbeta)晶體管，藉以使偏壓電流下降至一般的數(shù)百微微安培(pA),。但是這些技巧須要有輸入上的余裕,，而ADI希望AD8226以及AD8227能夠一直量測(cè)至負(fù)電源為止。為了要在AD8226與AD8227中取得更寬廣的輸入范圍,，ADI的設(shè)計(jì)工程師犧牲了些許的偏壓電流性能,。
電阻匹配限制CMRR 差動(dòng)放大器再進(jìn)化
當(dāng)CareFusion發(fā)現(xiàn)ADI或是其它供貨商的儀表放大器都無(wú)法完全符合工程師們的需求之后，他們決定專(zhuān)注于自行設(shè)計(jì)上,，并且了解到為了要有小于100分貝(dB)的CMRR,，在減法器級(jí)中具有匹配電阻是相當(dāng)重要的。過(guò)去工程師們已經(jīng)使用匹配電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)過(guò),，但卻發(fā)現(xiàn)這種方式很昂貴,，而且似乎是無(wú)法獲得預(yù)期的CMRR性能,，而這有可能是因?yàn)殡娐钒迳系募纳娙菟鶎?dǎo)致。工程師們很快的發(fā)現(xiàn)到AD8278差動(dòng)放大器擁有他們一直在找的性能以及功率消耗,。
典型的四電阻差動(dòng)放大器相較于其初次現(xiàn)身時(shí)還要復(fù)雜得多,。利用一顆完美的運(yùn)算放大器，CMRR會(huì)藉由電阻的匹配而受到限制(圖2中的R3～R6),。一顆差動(dòng)放大器CMRR的近似值為：
其中Ad是差動(dòng)放大器的增益,，而t則是電阻的容錯(cuò)度。因此對(duì)于增益為1與1%電阻,，CMRR=50V/V,，或是大約為34分貝，而對(duì)于0.1 %電阻,，CMRR=500V/V,，或是大約為54分貝。以上的公式可以應(yīng)用在低頻率,。在較高頻率下,，CMRR甚至可能會(huì)更進(jìn)一步的降級(jí)。舉例來(lái)說(shuō),，假如在兩組運(yùn)算放大器輸入端輸入電容的差異為400～500毫微微法拉(肇因于PC電路板布局或是內(nèi)部芯片布局),，而電阻值為10千奧姆(kΩ)，那么在10kHz下的交流電CMRR會(huì)降級(jí)6～7分貝,。假如在系統(tǒng)中有一顆20kHz(或是更高)的交換式穩(wěn)壓器,，那么這點(diǎn)就會(huì)很重要。即使是利用完美的電阻與經(jīng)過(guò)平衡的電容,，CMRR最終仍然會(huì)受到運(yùn)算放大器的限制,。
節(jié)省電路板空間/總成本 單芯片差動(dòng)放大器興起
針對(duì)差動(dòng)放大器有兩項(xiàng)主要的性能類(lèi)別。第一,，典型的高邊電流感測(cè)(High-side Current Sensing)應(yīng)用裝置需要在電流范圍的高端具有3～5%的精確度,。一顆具有合理偏移的低成本運(yùn)算放大器，以及些許的1%電阻可以達(dá)成此需求,。請(qǐng)記得有一些低成本運(yùn)算放大器可能會(huì)具有低于50分貝的CMRR,。這點(diǎn)常常會(huì)被忽略掉。第二項(xiàng)則是更精密的應(yīng)用,，通常做為分離式儀表放大器的第二級(jí),，處于0.1%～1%范圍，具有超過(guò)70～80分貝的CMRR,。這可以利用一組好的運(yùn)算放大器,、四組具有低TC的匹配電阻(最好是比例匹配TC)，以及謹(jǐn)慎的PC電路板布局來(lái)加以達(dá)成。因此,，考慮到分離式解決方案的總成本與電路板空間時(shí),，單芯片差動(dòng)放大器看起來(lái)極具吸引力。
ADI具有一系列增益為二分之一,、1或2的差動(dòng)放大器家族,。CareFusion對(duì)AD8271與AD8278進(jìn)行比較，然后為取得較低功率而選擇了AD 8278,。他們將其組態(tài)設(shè)定為二分之一增益。這使他們能夠提高輸入緩沖器的增益,，降低電源供應(yīng)軌(最終設(shè)定為±7.5VDC),，并且符合噪聲與直流電偏移容錯(cuò)度規(guī)格。(參考適用于新設(shè)計(jì)的噪聲,、CMRR,、以及偏移容錯(cuò)值的公式5～11)
AD8622緩沖器的噪聲：
‥‥‥‥‥‥‥‥公式5
加入1/f噪聲=
‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式6
與Rf并聯(lián)的二分之一Rg噪聲：
‥‥公式7
來(lái)自于AD8278的噪聲：
‥‥‥‥‥公式8
加入1/f
‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式9
將所有的來(lái)源加總：
‥‥‥‥公式10
新儀表放大器設(shè)計(jì)的預(yù)期最小CMRR：
‥‥‥公式11
AD8278能夠?qū)⒔M態(tài)設(shè)定為二分之一的增益或是2的增益,。即使CareFusion已經(jīng)擁有了低噪聲應(yīng)用裝置,，他們還是選擇將AD8278設(shè)定為二分之一的增益。一般的認(rèn)知是必須要將放大器盡可能設(shè)置于最高增益值,，以便獲得最佳的噪聲性能,。然而，因?yàn)锳D8278是該設(shè)計(jì)當(dāng)中的第二級(jí),，所以實(shí)際上是將其設(shè)置于較低增益下才能對(duì)該設(shè)計(jì)的噪聲性能有所幫助,。這將可以使第一級(jí)當(dāng)中具有更多的增益。低噪聲設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則就是盡可能的將最多的增益設(shè)置在第一級(jí),，而這正就是此處所討論的狀況,。
預(yù)先加諸較多的增益也有助于儀表放大器的CMRR。由于可以從先前關(guān)于電阻容錯(cuò)度相對(duì)于CMRR的討論當(dāng)中加以計(jì)算,，因此將差動(dòng)放大器的增益從二分之一改為2應(yīng)該會(huì)讓我們獲得額外的6分貝CMRR,。而這也符合AD8278的數(shù)據(jù)表。然而,，假如預(yù)先改用額外的4x增益,，那么差動(dòng)增益就會(huì)提高4x，而共模增益則維持相同,。換句話說(shuō),，藉由預(yù)先加諸增益，可以獲得額外的12分貝CMRR,，相較之下將增益加諸于差動(dòng)放大器時(shí)只能獲得6dB,。注意到這種技巧只有在第一級(jí)當(dāng)中的運(yùn)算放大器具有良好的CMRR時(shí)才會(huì)有效，因此使用高質(zhì)量的運(yùn)算放大器相當(dāng)重要,。
相對(duì)于整合型儀表放大器,，針對(duì)差動(dòng)放大器級(jí)使用G=1/2是CareFusion將其分離式設(shè)計(jì)最佳化的一種方法,。通常整合型儀表放大器必須將其內(nèi)部的差動(dòng)放大器增益維持在1或是更高狀態(tài)下，這是因?yàn)檩^低的差動(dòng)放大器增益會(huì)對(duì)儀表放大器處理廣大共模電壓擺蕩的能力造成限制,。
增益穩(wěn)定度一致性至關(guān)重要
在經(jīng)過(guò)了廣泛的搜尋之后,，CareFusion選擇了AD8622做為輸入緩沖運(yùn)算放大器。這組運(yùn)算放大器具備了工程師們正在找尋的所有規(guī)格：小巧的封裝尺寸,、低功率、低輸入偏壓電流,、0.1～10 Hz的低噪聲,，以及廣大的電源軌。另一項(xiàng)他們覺(jué)得很重要的特點(diǎn)就是一致性的增益穩(wěn)定度,。雖然運(yùn)算放大器是在增益10的狀態(tài)下運(yùn)作,，但是在儀表放大器組態(tài)設(shè)定中，共模訊號(hào)會(huì)出現(xiàn)1的增益,，進(jìn)而導(dǎo)致了潛在的穩(wěn)定性問(wèn)題,。
選擇確切適合的運(yùn)算放大器是CareFusion將其設(shè)計(jì)予以最佳化的另一個(gè)方法。對(duì)于運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)有數(shù)百種的選擇,，因此電路板設(shè)計(jì)廠商可以針對(duì)特殊的設(shè)計(jì)挑選確切適合的偏移電壓,、偏壓電流、電源供應(yīng)電流等的組合,。在另一方面,，當(dāng)ADI在設(shè)計(jì)一組單芯片儀表放大器時(shí)，必須要對(duì)許多不同類(lèi)型的電路板設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,。AD8622是ADI精密放大器產(chǎn)品線中的新成員,，同時(shí)也是一款將電壓噪聲、低1/f角,、電源供應(yīng)電流,、增益頻寬、偏移電壓,、偏移電壓漂移等做了真正良好結(jié)合的組件,。
CareFuison對(duì)于系統(tǒng)分隔的方法非常具有獨(dú)創(chuàng)性。有時(shí)候一組四重運(yùn)算放大器中有三個(gè)區(qū)域被使用于儀表放大器,，這是容易掉入的陷阱,。依據(jù)Vos、TCVos,、增益頻寬,、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。此外,，對(duì)于最后十個(gè)百分比的性能,，在第一級(jí)使用雙工與在第二級(jí)使用單工是有其道理與緣由。為了在運(yùn)算放大器中獲得低電壓噪聲,，輸入級(jí)會(huì)把第二級(jí)當(dāng)中所不需要的大量電流給消耗掉,。假如第二級(jí)驅(qū)動(dòng)一組沉重的負(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),。另一項(xiàng)四重運(yùn)算放大器的缺點(diǎn)是：你可能會(huì)從相同芯片中的輸出運(yùn)算放大器到另一組運(yùn)算放大器的第一級(jí)當(dāng)中獲得熱能反饋,。
最后，工程師原本的第一個(gè)選擇是使用一組整合式的儀表放大器,，藉以節(jié)省電路板空間,，然而取得了精密的差動(dòng)放大器之后(圖3)，確實(shí)使他們可以對(duì)儀表放大器進(jìn)行微調(diào),，而不需要昂貴與占用電路板空間的消耗性電阻網(wǎng)絡(luò)，并能夠顯著的降低功率耗損,，并且仍然維持重要的性能特性,，像是噪聲、CMRR,，以及直流電輸入容錯(cuò)度等,。
圖3經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的CareFusion儀表放大器
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