应对EEG和ECG设备的设计挑战

在过去20年间，CareFusion Nicolet在EEG诊断系统领域的开发上一直扮演着先驱者的角色。通过运用ADI公司广泛的放大器产品线，CareFusion得以优化其模拟前端，应对当今的EEG设计挑战。

虽然本文只涵盖了一种EEG应用，但是大部分理论对心电图(ECG)设计工程师也会有所帮助。如同许多EEG和ECG设备设计者所知，电极中的半电池电位差异可能会引起较大的直流失调，测量系统必须能够容忍此失调。CareFusion的现有系统设计可以处理高达±900mV的失调。为了应付现场的不同电极类型以及环境条件，CareFusion希望将容差提高到±1300mV。与此同时，他们正在考虑电池供电设计的可能性，因此需大幅降低功耗，其中也包括仪表放大器。现有的功耗是每通道28mW，设计师希望将其降低到10mW以内。对于ECG和EEG前端设计，设计师面临着噪声、失调处理能力与功耗之间的取舍。

大部分仪表放大器具有因减法器级而导致的大量噪声成分。在高增益应用中，其影响不大，因为此噪声会在输出端保持恒定，而与增益无关。然而在EEG和ECG应用中，增益会被来自于电极的较大失调所限制。因此，如果希望使用大增益以获得良好噪声性能，那么失调要求将迫使设计采用大电源。

这就是CareFusion在采用AD8221仪表放大器的先前设计中采取的措施。AD8221的输出噪声为75nV/√Hz，输入噪声为8nV/√Hz。为降低大量输出噪声在折合到输入端时所造成的影响，他们将AD8221设定至14.8的增益。该增益也会将共模抑制提高23dB，因为共模增益为1。但是，为了以14.8的增益来处理900mV电极失调，必须使用115.5V直流电源轨。EEG放大器由64个这种通道组成，对于电池供电应用来说，功耗太大。

针对此应用，真正理想的是具有低输出噪声的低功耗仪表放大器，然而这并不容易。仪表放大器的输出噪声主要由6个电阻决定(图1中的R1至R6)，一个可能的解决方案是降低这些电阻的值，但会有几个缺点：

图1，标准仪表放大器配置。

1. 内部仪表放大器必须驱动更多电流到这些电阻。为了在这种较高驱动条件下保持良好的线性度，必须构建输出驱动能力更强的放大器，这就需要设计功率更高的放大器。而另一方面，将出现更大的电流流经小值电阻的局面。

2. Rg增益设置电阻会变得更小，这在噪声方面是件好事，但在较大差分过压条件下，还不够好。它会使放大器输入端处理高增益配置下的大差分电压的性能变差。仪表放大器设计师可以通过增加电路来应对，但这种电路会增加输入噪声。

3. 随着EEG设备减法器电路中的电阻变小，仪表放大器的输入阻抗也会变小。这意味着，如果系统设计师希望用一个缓冲器驱动此引脚(EEG应用中常见情况)，那么在目标频率范围内，驱动放大器必须具有非常低的输出阻抗。

CareFusion决定用更高的噪声来换取更低的功耗。于是，他们开始寻找AD8221的替代器件——功耗更低但仍然能满足其它性能要求。他们考虑的一款仪表放大器是AD8235/36，它的功耗非常低，尺寸很小，但噪声太高，最大供电轨为5V，无法满足直流失调要求。

CareFusion考虑的另一款器件是AD627，它的功耗也非常小，并且支持宽电源轨。相对于功耗而言，它具有良好的性能。然而，它采用的是SOIC封装，尺寸较大，不利于缩小电路板的尺寸。ADI公司还有许多300μA~500μA电源电流及宽电源范围的器件，但所有这些器件都具有至少20nA的输入偏置电流，超过了CareFusion设计的低于5nA的额定要求。发现ADI公司以及其它厂商没有任何一款仪表放大器满足要求之后，CareFusion决定自行构建。他们知道为获得100dB以上的CMRR，减法器级中的电阻必须匹配。他们过去曾经试验过匹配电阻网络，但这种网络非常昂贵，而且似乎从来没有获得期望的CMRR性能。他们很快发现差动放大器AD8278具有他们需要的性能和功耗。传统的四电阻差动放大器比看起来更复杂。对于理想的运算放大器，CMRR受电阻匹配度限制(图1中的R3-R6)。差动放大器CMRR的近似计算公式如下：

Ad为差动放大器的增益，t为电阻的容差。因此，对于1倍增益和1%电阻，CMRR=50V/V或大约34dB；对于0.1%电阻，CMRR=500V/V或大约54dB。上述公式适用于低频情况。当频率较高时，CMRR可能会进一步下降。例如，如果因为PCB布局或内部芯片布局的影响，两个运算放大器的输入电容差为400fF~500fF，电阻为10kΩ，那么10kHz时的交流CMRR会下降6dB~7dB。如果系统中有一个20kHz(或更高)开关调节器，这可能很重要。即使具有理想的电阻和平衡电容，CMRR最终也会受运算放大器的限制。

差动放大器的性能主要分为两类。第一，典型的高端电流检测应用需要在电流范围的高端具有3％~5%的精度。一个具有合理失调和1%电阻的低成本运算放大器可以达成此需求。请记住，有一些低成本运算放大器可能具有低于50dB的CMRR，这一点常常被忽略掉。第二，更精密的应用，通常作为分立仪表放大器的第二级，处于0.1%到1%范围，具有超过70dB~80dB的CMRR。这可以利用一个良好的运算放大器、四个具有低温度系数(TC)的匹配电阻，以及谨慎的PCB电路板布局来实现。考虑到分立解决方案的总成本与电路板空间，单芯片差动放大器看来极具吸引力。这正是CareFusion选择AD8278的原因。他们将其增益配置为1/2，这使得他们能够提高输入缓冲器的增益，降低电源轨(最终确定为±7.5VDC)，并且满足噪声和直流失调容差要求。AD8278的增益可以配置为1/2或2。虽然CareFusion面对的是低噪声应用，他们仍然选择将AD8278的增益配置为1/2。通常认为，将放大器置于最高增益级可以获得最佳的噪声性能。然而，由于AD8278是该设计的第二级，因此将放大器置于较低增益级实际上有助于提高设计的噪声性能。这样就能在第一级中应用更多增益。低噪声设计的一个重要法则是让第一级具有尽可能多的增益，本设计也不例外。将更多增益放在第一级也有助于提高仪表放大器的CMRR性能。我们可以根据先前关于电阻容差与CMRR关系的讨论进行计算，将差动放大器的增益从1/2变为2时，CMRR将提高6dB。然而，如果我们在第一级另外提供4倍的增益，那么差分增益将提高4倍，但共模增益保持不变。换言之，通过第一级放大，我们可以获得12dB的额外CMRR，而将增益应用于差动放大器时，只能获得6dB的提高。注意，这一技巧仅适用于第一级中的运算放大器具有良好CMRR的情况，因此，使用高质量运算放大器相当重要。相对于集成仪表放大器，使用G=1/2的差动放大器级是CareFusion优化分立设计的方法之一。通常，集成仪表放大器必须将内部差动放大器的增益设置为1或更高，因为较低的差动放大器增益会限制仪表放大器处理宽共模电压摆幅的能力。经过大量搜索后，CareFusion选择AD8622作为输入缓冲运算放大器。该运放具有他们需要的全部特性：小封装尺寸、低功耗、低输入偏置电流、低0.1Hz~10Hz噪声和宽电源轨。还有一个重要特性是单位增益稳定性。虽然运算放大器以10倍增益工作，但在仪表放大器配置中，共模信号看到的增益是1，因此可能会引发稳定性问题。

CareFusion划分系统的方式独具匠心。有时候，一个四通道运算放大器的三部分被用于构建仪表放大器，这是很容易掉入的陷阱。

图2， CareFusion仪表放大器简图。

依据Vos、TCVos、增益、带宽、CMRR等来看，第一级的需求与差动放大器级是完全不同的。为了获得最后10%的性能，第一级使用双通道放大器，第二级使用单通道放大器非常有意义。为了在运算放大器中获得低电压噪声，输入级需要消耗第二级当中并不需要的大量电流。假如第二级驱动一个重负载，那么就需要比第一级运算放大器更多的驱动。四通道放大器的另一个缺点是：输出运算放大器的热量可能会反馈到同一封装中其它运算放大器的第一级。

CareFusion的第一选择本来是使用集成仪表放大器，藉以节省电路板空间。然而，使用精密差动放大器后，确实使他们可以对仪表放大器进行微调，而不需要昂贵且占用电路板空间的电阻网络。他们得以显著降低功耗，同时仍然保持重要的性能特性，像是噪声、CMRR以及直流输入容差等(图2)。