当系统设计师寻找高能效的信号调理器件时,他们可能会发现,市面上能够在100 uA电源电流下工作的IC很少,而其中具有小型封装的器件就更是屈指可数了。对于日益增多的无线传感器网络(WSN),电池寿命和电路板空间逐渐成为关键性规范,因此缺少可供使用的选项也许会令人沮丧。在搜索低功耗边缘节点物联网器件的过程中,某些模拟前端IC(比如可穿戴产品的心率监测器)可能根本不会出现,或因其针对特定应用而不予考虑。然而有一款ADI ECG前端IC,它可以工作于50 uA电源电流下并具有小巧的2 mm × 1.7 mm WLCSP封装,这款器件值得您在设计物联网节点应用时稍加考虑。如果更深入地研究,人们会发现其灵活架构实质上是一个仪表放大器(IA)和几个运算放大器,可通过配置形成一些实用的超低功耗信号处理电路,其适用范围不仅仅限于医疗或保健应用。
在此前端示例中,固定增益为100。IA的基准源由高通放大器(HPA)驱动,该放大器配置为反馈网络中的积分器,其输入连接到IAOUT,通过外部电容和电阻设置截止频率。HPA将迫使HPDRIVE达到任何所需电压以保持HPSENSE以及IAOUT处于基准电压。该电路形成一个一阶高通滤波器:
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图1:简化的单导联ECG前端
图2:固定增益为100的直流耦合IA。
将HPA配置为衰减器(R2
图3.具有可调增益和带宽的直流耦合IA。
VTUNE是用来校正失调电压的源电压,可由微控制器发出的PWM滤波信号提供或由低功耗DAC直接驱动。HPA仍配置为一个增益为–R2/R1的反相放大器,可用于进一步调节失调校正范围和分辨率。对VIN进行分解,然后带入上式中,可得目标传递函数:
总体失调可通过添加未施加VSIGNAL的传感器进行补偿。仅需相对于基准源测量IAOUT,并调节(R2/R1) VTUNE直到该电压足够接近于零。
图4:提供失调补偿的直流耦合IA。
通常会将此放大器配置成一个积分器,在RLDFB与RLD之间放置一个电容,通过RLD驱动第三电极改善整体系统的共模抑制比(CMRR)。除非此放大器可以构成有用的电路,否则最好是将RLDSDN数字输入接地,同时保持RLD和RLDFB引脚浮空,从而降低放大器的功耗。
图5:完整ECG和低功耗信号调理前端。
图6:低功耗基准电压源。
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图7:低功耗压力传感器电路。
要开始此过程,应先确定期望的基准端温度范围,并通过NIST表确定期望漂移。例如:
经过修改的电路如图8所示。请注意,输入共模电压通过+IN上的10 MΩ上拉电阻和–IN上的10 MΩ下拉电阻设置为+Vs/2。此配置可在出现断线事件时将+IN上拉至+Vs,从而实现AD8233的导联脱落检测功能。这种情况可通过LOD引脚监测。AD8233还具有一个集成RFI滤波器,有助于从热电偶进行任何高频拾取。在输入端串联附加电阻可以降低截止频率。
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