隨著無線通信技術、嵌入式計算機技術與微機電(MEMS)技術的發(fā)展,無線傳感器網(wǎng)絡(WSNs)已經(jīng)越來越深入到人類生活的方方面面，而對于無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)，電池壽命和電路板空間逐漸成為關鍵性規(guī)范，因此缺少可供使用的選項也許會令人沮喪。
當系統(tǒng)設計師尋找高能效的信號調理器件時，他們可能會發(fā)現(xiàn)，市面上能夠在100 uA電源電流下工作的IC很少，而其中具有小型封裝的器件就更是屈指可數(shù)了。在搜索低功耗邊緣節(jié)點物聯(lián)網(wǎng)器件的過程中，某些模擬前端IC（比如可穿戴產(chǎn)品的心率監(jiān)測器）可能根本不會出現(xiàn)，或因其針對特定應用而不予考慮。然而有一款ADI ECG前端IC，它可以工作于50 uA電源電流下并具有小巧的2 mm × 1.7 mm WLCSP封裝，這款器件值得您在設計物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點應用時稍加考慮。如果更深入地研究，人們會發(fā)現(xiàn)其靈活架構實質上是一個儀表放大器(IA)和幾個運算放大器，可通過配置形成一些實用的超低功耗信號處理電路，其適用范圍不僅僅限于醫(yī)療或保健應用。
簡化的單導聯(lián)心電圖(ECG)前端如圖1所示。它包括一個間接電流模式IA，具有獨立的傳遞函數(shù)：
在此前端示例中，固定增益為100。IA的基準源由高通放大器(HPA)驅動，該放大器配置為反饋網(wǎng)絡中的積分器，其輸入連接到IAOUT，通過外部電容和電阻設置截止頻率。HPA將迫使HPDRIVE達到任何所需電壓以保持HPSENSE以及IAOUT處于基準電壓。該電路形成一個一階高通濾波器：
對于診斷級ECG，截止頻率通常設為0.05 Hz，而對于僅檢測心率的保健應用，設為7 Hz可能比較合適。高通濾波器函數(shù)能夠解如何在放大高頻ECG信號（1 mV至2 mV）的同時抑制大直流半電池電位（因電極/皮膚接觸而導致）以及與ECG測量相關的低頻基線漂移的問題。由于直流半電池電位（高達300 mV）抑制發(fā)生在IA的輸入端，因此這種架構能夠獲得很大的增益。另一個益處就是可以抑制IA的失調和失調漂移。監(jiān)測關于基準電壓HPDRIVE將顯示自動校正輸入失調的反相形式。
圖1. 簡化的單導聯(lián)ECG前端。
雖然此設計的初衷是針對ECG應用，但實際上任何需要放大低頻小信號（I A帶寬<1 kHz）的應用都可受益于其低功耗和小尺寸。如果要進行直流測量，則僅需對此電路進行簡單修改。圖2顯示固定增益為100的直流耦合I A。就是將圖1中的R和C去掉，并將HPSENSE短接到HPDRIVEA，從而使HPA成為一個單位增益緩沖器。這種方式也會迫使I A基準保持基準電壓。在此情況下應考慮到I A的失調電壓。
圖2. 固定增益為100的直流耦合IA。
如果增益為100太高，或帶寬為1 kHz太低，則可按照圖3所示修改此電路。這時HPA配置為一個反相放大器，增益為–R2/R1，其輸入為IAOUT的反饋。新的傳遞函數(shù)可簡化如下：
將HPA配置為衰減器（R2 < R1）可實現(xiàn)低于100的增益。由于差分輸入的限值為300 mV，為確保電路的穩(wěn)定性，建議增益不應低于10。下表中列出了一些可供考慮的增益配置。
表1. 具有不同增益和帶寬配置的直流耦合IA
圖3. 具有可調增益和帶寬的直流耦合IA。
如果直流精度依然很重要，則保留I A增益為100，并按照圖4修改電路，以補償I A及任何附加傳感器的失調。調節(jié)后的傳遞函數(shù)如下：
VTUNE是用來校正失調電壓的源電壓，可由微控制器發(fā)出的PWM濾波信號提供或由低功耗DAC直接驅動。HPA仍配置為一個增益為–R2/R1的反相放大器，可用于進一步調節(jié)失調校正范圍和分辨率。對VIN進行分解，然后帶入上式中，可得目標傳遞函數(shù)：
總體失調可通過添加未施加VSIGNAL的傳感器進行補償。僅需相對于基準源測量IAOUT，并調節(jié)(R2/R1) VTUNE直到該電壓足夠接近于零。
圖4. 提供失調補償?shù)闹绷黢詈螴A。
將上述電路配置用于低功耗物聯(lián)網(wǎng)設計之前，還應了解 AD8233?ECG前端解決方案的其他部分。詳細電路如圖5所示。第一個運算放大器A1并非專用，通常用于提供I A級后的附加增益和/或濾波功能。對于其他傳感器應用也同樣有益。放大器A2通常用作ECG解決方案中的右腿驅動。I A輸入共模的緩沖形式出現(xiàn)在A2負輸入端，此時：
通常會將此放大器配置成一個積分器，在RLDFB與RLD之間放置一個電容，通過RLD驅動第三電極改善整體系統(tǒng)的共模抑制比(CMRR)。除非此放大器可以構成有用的電路，否則最好是將RLDSDN數(shù)字輸入接地，同時保持RLD和RLDFB引腳浮空，從而降低放大器的功耗。
圖5：完整ECG和低功耗信號調理前端。
第三個運算放大器A3是一個集成式基準電壓源緩沖器，可同時驅動片內和片外REFOUT處的基準電壓。REFIN通常設為+Vs/2，其中單電源+Vs的范圍是1.7V至3.5V?？刹捎靡环N簡易的低功耗解決方案，接入兩個10 MΩ電阻作為+Vs至地的分壓器，如圖6所示。在REFIN和GND之間添加一個電容以協(xié)助任何噪聲拾取。REFIN也可以由ADC基準源驅動或用于IA輸出的電平轉換。
圖6：低功耗基準電壓源。
數(shù)字輸入FR支持快速恢復功能，這對于圖1中的交流耦合電路十分有利。在啟動過程中或輸入端出現(xiàn)直流階躍事件時，外部電容需要一段時間進行充電。在此情況下，IA將進入軌到軌模式，直到積分器已建立。自動快速恢復可檢測到該事件，然后轉向與外部電阻并聯(lián)的更小電阻上并保持一定的時間，從而大幅加速了建立過程。SW引腳用于在必要時快速建立第二個外部高通濾波器。
AC/DC數(shù)字輸入決定了ECG應用中使用的導聯(lián)脫落檢測方法，但也可用于輸入端為其他傳感器的斷線檢測。如果正確配置，當IA的某個輸入與傳感器斷開連接時，數(shù)字輸出LOD將發(fā)出指示。
除了具有尺寸小和活動功耗低的特點，AD8233還具有一個關斷引腳(SDN)，可使總電源電流降至1 uA以下。這對于不常進行傳感器測量的應用來說十分方便，可以顯著延長總體電池壽命。即使在關斷模式下，斷線檢測仍將保持正常工作。
現(xiàn)在我們對整體AD8233芯片有了更詳細的了解，那么來看看關于傳感器應用的幾種不同思路吧。表2列出了構建非ECG電路的入門指南。
表2：針對非ECG應用的AD8233入門指南
基于Wheatstone電橋的壓力傳感器應用就是適合采用固定增益100和圖4失調校正電路的一個好例子。此電橋可自然地將輸入共模電壓設為+Vs/2。電橋可由REFOUT或非專用運算放大器驅動（具體取決于測量范圍和所需電流），使得電橋的電源電流在關斷模式下被禁用。圖7顯示的是一個示例電路。由于 AD5601?DAC具有低功耗（在3 V下為60 uA）、關斷引腳和小巧的SC70封裝，因此對于校正電橋和IA失調是一個不錯的選擇。運算放大器(A1)留作占位緩沖器，可用來設置附加增益/噪聲濾波和60 Hz帶寬。輸出放大器驅動超低功耗ARM® Cortex®-M3 (ADuCM3029)的片上ADC，ADuCM3029采用節(jié)省空間的WLCSP封裝。ADuCM3029的GPIO可以控制AD8233的關斷引腳。
圖7：低功耗壓力傳感器電路。
另一個可受益于圖4電路的應用就是通過熱電偶進行溫度測量。K型熱電偶在一個很寬的溫度范圍內幾乎呈線性，其Seebeck系數(shù)在室溫下(25° C)約為41 uV/°C。假設基準端或冷端已補償，則IA輸出將是測量端已獲增益的信號~4.1 mV/°C（可使用NIST查詢表以獲得更準確的結果）熱電偶的輸出就是測量端和基準端之間的差分信號，因此，必須添加一個相等的基準端漂移來將其抵銷。
要開始此過程，應先確定期望的基準端溫度范圍，并通過NIST表確定期望漂移。例如：
若在基準端放置一個精確的溫度傳感器，則測量結果可反饋至VTUNE，并通過–R2/R1調節(jié)以獲得合適的漂移。請注意，應使溫度傳感器負向漂移，或者交換IA輸入，以確保在IA輸出得到正向漂移。為了隔離失調和漂移校正，可將該電路分解成一個加法節(jié)點，其中VTUNE2處的失調在–R2/R3作用下固定不變。更新后的傳遞函數(shù)如下：
經(jīng)過修改的電路如圖8所示。請注意，輸入共模電壓通過+IN上的10 MΩ上拉電阻和–IN上的10 MΩ下拉電阻設置為+Vs/2。此配置可在出現(xiàn)斷線事件時將+IN上拉至+Vs，從而實現(xiàn)AD8233的導聯(lián)脫落檢測功能。這種情況可通過LOD引腳監(jiān)測。AD8233還具有一個集成RFI濾波器，有助于從熱電偶進行任何高頻拾取。在輸入端串聯(lián)附加電阻可以降低截止頻率。
圖8. 集成參考結補償和斷線檢測特性的熱電偶電路。
結語
對AD8233進行的分析表明，其應用范圍不僅僅限于ECG前端。該器件無與倫比地結合了有效低功耗 (50 uA)、小巧的2 mm x 1.7 mmWLCSP封裝、關斷引腳以及靈活架構，從而實現(xiàn)了體積更小、重量更輕且電池壽命更長的設計。
