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隨著(zhù)腦部研究和EEG診斷的持續突破，人們期望EEG監測裝置也能夠在傳統臨床環(huán)境以外的新環(huán)境中運作，而這些新的環(huán)境同時(shí)也引發(fā)新的設計挑戰。 在過(guò)去20年間，CareFusion Nicolet在EEG診斷系統領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)上一直扮演著(zhù)先驅者的角色。通過(guò)運用ADI公司廣泛的放大器產(chǎn)品線(xiàn)，CareFusion得以?xún)?yōu)化其模擬前端，應對當今的EEG設計挑戰。 雖然本文只涵蓋了一種EEG應用，但是大部分理論對心電圖(ECG)設計工程師也會(huì )有所幫助。如同許多EEG和ECG設備設計者所知，電極中的半電池電位差異可能會(huì )引起較大的直流失調，測量系統必須能夠容忍此失調。CareFusion的現有系統設計可以處理高達±900mV的失調。為了應付現場(chǎng)的不同電極類(lèi)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有的功耗是每通道28mW，設計師希望將其降低到10mW以?xún)�。對于ECG和EEG前端設計，設計師面臨著(zhù)噪聲、失調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致的大量噪聲成分。在高增益應用中，其影響不大，因為此噪聲會(huì )在輸出端保持恒定，而與增益無(wú)關(guān)。然而在EEG和ECG應用中，增益會(huì )被來(lái)自于電極的較大失調所限制。因此，如果希望使用大增益以獲得良好噪聲性能，那么失調要求將迫使設計采用大電源。 這就是CareFusion在采用AD8221儀表放大器的先前設計中采取的措施。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設定至14.8的增益。該增益也會(huì )將共模抑制提高23dB，因為共模增益為1。但是，為了以14.8的增益來(lái)處理900mV電極失調，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，對于電池供電應用來(lái)說(shuō)，功耗太大。 針對此應用，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(huì )有幾個(gè)缺點(diǎn)： 圖1，標準儀表放大器配置。 1. 內部?jì)x表放大器必須驅動(dòng)更多電流到這些電阻。為了在這種較高驅動(dòng)條件下保持良好的線(xiàn)性度，必須構建輸出驅動(dòng)能力更強的放大器，這就需要設計功率更高的放大器。而另一方面，將出現更大的電流流經(jīng)小值電阻的局面。 2. Rg增益設置電阻會(huì )變得更小，這在噪聲方面是件好事，但在較大差分過(guò)壓條件下，還不夠好。它會(huì )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。儀表放大器設計師可以通過(guò)增加電路來(lái)應對，但這種電路會(huì )增加輸入噪聲。 3. 隨著(zhù)EEG設備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。這意味著(zhù)，如果系統設計師希望用一個(gè)緩沖器驅動(dòng)此引腳(EEG應用中常見(jiàn)情況)，那么在目標頻率范圍內，驅動(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(lái)?yè)Q取更低的功耗。于是，他們開(kāi)始尋找AD8221的替代器件——功耗更低但仍然能滿(mǎn)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(wú)法滿(mǎn)足直流失調要求。 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(guò)了CareFusion設計的低于5nA的額定要求。發(fā)現ADI公司以及其它廠(chǎng)商沒(méi)有任何一款儀表放大器滿(mǎn)足要求之后，CareFusion決定自行構建。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(guò)去曾經(jīng)試驗過(guò)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(lái)沒(méi)有獲得期望的CMRR性能。他們很快發(fā)現差動(dòng)放大器AD8278具有他們需要的性能和功耗。傳統的四電阻差動(dòng)放大器比看起來(lái)更復雜。對于理想的運算放大器，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。當頻率較高時(shí)，CMRR可能會(huì )進(jìn)一步下降。例如，如果因為PCB布局或內部芯片布局的影響，兩個(gè)運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(huì )下降6dB~7dB。如果系統中有一個(gè)20kHz(或更高)開(kāi)關(guān)調節器，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(huì )受運算放大器的限制。 差動(dòng)放大器的性能主要分為兩類(lèi)。第一，典型的高端電流檢測應用需要在電流范圍的高端具有3％~5%的精度。一個(gè)具有合理失調和1%電阻的低成本運算放大器可以達成此需求。請記住，有一些低成本運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(guò)70dB~80dB的CMRR。這可以利用一個(gè)良好的運算放大器、四個(gè)具有低溫度系數(TC)的匹配電阻，以及謹慎的PCB電路板布局來(lái)實(shí)現�？紤]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(lái)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(mǎn)足噪聲和直流失調容差要求。AD8278的增益可以配置為1/2或2。雖然CareFusion面對的是低噪聲應用，他們仍然選擇將AD8278的增益配置為1/2。通常認為，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A(yíng)D8278是該設計的第二級，因此將放大器置于較低增益級實(shí)際上有助于提高設計的噪聲性能。這樣就能在第一級中應用更多增益。低噪聲設計的一個(gè)重要法則是讓第一級具有盡可能多的增益，本設計也不例外。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。我們可以根據先前關(guān)于電阻容差與CMRR關(guān)系的討論進(jìn)行計算，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(guò)第一級放大，我們可以獲得12dB的額外CMRR，而將增益應用于差動(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算放大器具有良好CMRR的情況，因此，使用高質(zhì)量運算放大器相當重要。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)化分立設計的方法之一。通常，集成儀表放大器必須將內部差動(dòng)放大器的增益設置為1或更高，因為較低的差動(dòng)放大器增益會(huì )限制儀表放大器處理寬共模電壓擺幅的能力。經(jīng)過(guò)大量搜索后，CareFusion選擇AD8622作為輸入緩沖運算放大器。該運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定性。雖然運算放大器以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(huì )引發(fā)穩定性問(wèn)題。 CareFusion劃分系統的方式獨具匠心。有時(shí)候，一個(gè)四通道運算放大器的三部分被用于構建儀表放大器，這是很容易掉入的陷阱。 圖2， CareFusion儀表放大器簡(jiǎn)圖。 依據Vos、TCVos、增益、帶寬、CMRR等來(lái)看，第一級的需求與差動(dòng)放大器級是完全不同的。為了獲得最后10%的性能，第一級使用雙通道放大器，第二級使用單通道放大器非常有意義。為了在運算放大器中獲得低電壓噪聲，輸入級需要消耗第二級當中并不需要的大量電流。假如第二級驅動(dòng)一個(gè)重負載，那么就需要比第一級運算放大器更多的驅動(dòng)。四通道放大器的另一個(gè)缺點(diǎn)是：輸出運算放大器的熱量可能會(huì )反饋到同一封裝中其它運算放大器的第一級。 CareFusion的第一選擇本來(lái)是使用集成儀表放大器，藉以節省電路板空間。然而，使用精密差動(dòng)放大器后，確實(shí)使他們可以對儀表放大器進(jìn)行微調，而不需要昂貴且占用電路板空間的電阻網(wǎng)絡(luò )。他們得以顯著(zhù)降低功耗，同時(shí)仍然保持重要的性能特性，像是噪聲、CMRR以及直流輸入容差等(圖2)。 |
