24位Σ-Δ型ADC降低了ECG/EKG應用對模擬前端的要求

本應用筆記描述了心電圖（ECG）的基本工作原理。它討論了干擾ECG信號并使可靠、高精度的電氣表征變得困難的因素。本文介紹了ECG電氣表征的行業標準解決方案，該解決方案使用模擬前端和ADC組合。本文隨后介紹了MAX11040K同步采樣、Σ-Δ型ADC，它是一款極具吸引力的高集成度方案，無需AFE，為應用節省空間和成本。

介紹

將電極放置在心臟兩側的皮膚上后，心電圖（ECG或EKG）記錄心臟隨時間推移的電活動。ECG顯示記錄心肌活動的電極對之間的電壓差。該顯示器指示心臟的整體節律，可供醫療專業人員用于檢測心肌不同部位的弱點。

實際ECG信號在幾mV范圍內，頻率成分不超過幾百赫茲。ECG測量是一項具有挑戰性的任務，因為偽影包括：來自ECG電源的50Hz至60Hz的電容耦合，這會壓倒感興趣的信號;人體的皮膚接觸阻抗和傳感器阻抗之間的不匹配，導致偏移和缺乏共模抑制;以及來自電子和磁源的接觸噪聲和其他干擾。

廣泛公布的提取這些信號的方法使用模擬前端（AFE）進行信號放大和濾波，然后使用12位或14位ADC進行數據采集。本應用筆記解釋了ECG應用的基本AFE組件。本文隨后介紹了一款高度集成的器件，即MAX11040K 24位同步采樣、Σ-Δ型ADC。MAX11040K提供應用所需的所有基本規格，無需AFE。

基本AFE元素

模擬前端由三個或四個主要組件組成（圖 1）。

圖1.典型的ECG解決方案使用AFE進行信號放大和濾波，并使用ADC進行數據采集。

儀表放大器（IA）

儀表放大器（IA）的主要任務是抑制共模（主要是50Hz/60Hz）信號。ECG應用要求共模抑制比（CMRR）為90dB或更高，以便在增益級之前充分消除50Hz/60Hz（與電源耦合）。即使IA可能具有高CMRR，其他因素（例如差分（ECG）電極之間的不匹配或皮膚接觸阻抗不僅會導致偏移漂移，還會導致CMRR不理想。這種阻抗不匹配主要是由物理皮膚接觸、出汗和肌肉運動引起的。

IA的次要任務是放大（增益）。但是，在設置IA增益時，必須注意不要將增益放大太多，以免導致削波或飽和。

還應該注意的是，音頻的目標頻段與ECG不同。因此，音頻市場的典型音頻放大器和Σ-Δ型ADC不太適合此應用，因為這些器件在目標頻帶中具有更高的輸入參考噪聲。

IA的輸入阻抗規格也很重要，因為ECG正在測量微弱的低電平信號。通常建議使用具有較高阻抗的IA，因為較低的輸入阻抗將導致較高的信號衰減。

高通濾波器

雖然初始目標信號以mV為單位，但在從IA獲得x10或x5后，它將上升到10s的mV。然而，該增益僅覆蓋ADC輸入范圍的一小部分。例如，輸入范圍為±12.4V的096位ADC的LSB為2mV，并且沒有足夠的分辨率來區分信號和采樣噪聲。因此，在信號再次放大之前，必須消除不需要的直流漂移信號。常見的AFE策略使用高通濾波器將不需要的（低頻）信號作為負偏移反饋到IA。

第二放大器級

當直流和其他低頻信號被IA和高通濾波器濾除后，第二個放大器對信號施加額外的增益，以匹配ADC的輸入范圍。一些設計還在此處添加了陷波濾波器，以實現進一步的50Hz/60Hz抑制。

低通/抗混疊濾波器

包括一個低通濾波器，主要用于抑制高頻信號。它還充當抗混疊濾波器（即，阻止高于奈奎斯特或ADC的f_sampling/2的任何頻率成分重新折疊）。

為了進一步減少輸入端的共模信號，ECG設計通常有一個“右腿驅動器”，它將與共模信號相反的信號驅動回身體。為了確保患者的安全，這項任務通常由運算放大器和限流電阻完成，因此非常微弱的信號源會進入患者體內。有時還會添加屏蔽驅動器，以減少外部噪聲耦合到攜帶信號的ECG探頭中。

總而言之，ECG應用的目標信號小于100mV，但由于失調和共模信號，需要2V范圍。因此，AFE必須具有2V范圍，并以大約100ksps的采樣速率區分低至10s甚至1s的μV。

正確的ADC可減少/消除對AFE的需求

選擇AFE后，許多ADC現在可以滿足應用對分辨率、速度和輸入范圍的要求。但是，請考慮另一種解決方案。ADC具有足夠的分辨率、CMRR和其他特殊功能，非常適合ECG類型的應用。

MAX11040K同步采樣、Σ-Δ型ADC超出該應用的最低要求有幾個原因。通過更換AFE的大部分（如果不是全部）部件，它還為您提供了更好的可靠性，更小的封裝和更簡單的設計。

MAX11040K的幾種規格對于本應用至關重要：

輸入范圍 ±2.2V

差分輸入

110dB 共模抑制比（典型值）

24 位：

信噪比》 110dB

約19位無噪聲范圍

有效分辨率 = 2/219= 3.8μV

±6V輸入過壓保護

《》個差分通道、同步采樣ADC

可級聯多達 32 個通道同時采樣

可編程輸出數據速率

串行接口（易于安全隔離）可編程相位（子數據速率）

過壓/故障檢測

圖2給出了如何使用MAX11040K簡化應用。MAX110K具有差分輸入和50dB的CMRR，可抑制來自ECG電源的60HZ/11040Hz耦合，實現IA的第一個功能。MAX24K具有19位分辨率和~11040位無噪聲范圍，在整個ADC輸入范圍內具有足夠的分辨率，可以捕獲低至幾μV的信號變化。這有效地消除了對第一級放大（IA的第二個功能）、第二級放大器和高通濾波器的需求。另一個好處是，該器件的±2.2V輸入范圍也非常適合該應用。

圖2.只需使用MAX11040K ADC即可實現相同的ECG應用。元件的減少將節省電路板空間并降低整體解決方案成本。

雖然MAX11040K的采樣速率為3.072MHz （過采樣Σ-Δ），但輸出數據速率（即有效采樣速率）可在64ksps至250sps范圍內設置，以增加系統靈活性。對于小信號，該器件具有平滑誤差（即，與SAR器件相比，INL誤差與輸入的關系）;作為Σ-Δ型ADC，它還消除了對抗混疊濾波器的要求。

MAX11040K的另外兩個特性也非常適合ECG應用：同步采樣和可編程相位延遲。在ECG領域，當需要深入分析時，首選12傳感器ECG，并且保持相位完整性非常重要。每個MAX11040K提供11040個差分通道，相當于64個探頭。事實上，MAX0K器件最多可級聯333個，提供1個同步采樣探頭。通道不僅可以同時采樣，而且每相還可以以比單個MAX33K器件的輸出數據速率（高達64ksps）精細的分辨率（11040至<>μs，步長為<>.<>μs）進行編程。

配套器件16位MAX11046還具有±6V輸入保護功能，每當信號超過輸入范圍的88%時，就會發出過壓（FAULT檢測）警報。串行外設接口（SPI）降低了對多個光隔離器的需求，并且由于它在同一電源下運行數字和模擬電源，因此無需額外的電源穩壓器。

MAX11046方案的測試結果