单芯片生物医学模拟前端系列用于可穿戴市场
作者：Jan-Hein Broeders
血氧饱和度、心电图、血压和呼吸频率是过去仅限于医院监测设备的测量值。监测这些参数是关键，特别是对于有医疗风险的人，无论是在事故后、手术后还是被诊断出患有严重疾病时。随着人口老龄化的增加和对整体卫生支出的强烈关注，在医院外获得医疗监测已成为一种日益增长的趋势。现在，高危患者在日常生活中受到监测，以便更早地发现某些事件，或者患者被送回家，使用监测设备，以便更快，更舒适地康复。还有第三组用户为了预防而测量这些参数，甚至在任何诊断之前。
多参数监测仪都有相同的要求：它们需要准确、小巧，并且只需一次电池充电即可长时间运行。为了支持这一趋势，我们开发了一个新的单芯片生物医学模拟前端系列。
ADPD4000 简要概述
市场上有许多多参数系统结合了两个或多个测量。想想心率监测器与运动传感器相结合来跟踪活动，或者将心率变异与阻抗感应相结合，用于压力监测或睡眠分析等应用。在大多数情况下，每次测量都由专用的模拟前端执行，从而产生多个芯片，每个芯片都有自己的模数转换器（ADC），与主处理器的接口以及多个需要去耦的电源和基准电压。这会导致许多冗余构建块，从尺寸和功耗的角度来看，这不是最佳系统。在可穿戴系统中，没有什么比拥有一个主信号链更容易了，每个传感器都可以连接到该信号链。新的ADPD4000系列生物医学前端填补了这一市场空白。图1显示了ADPD4xxx系列的高级框图。前端围绕两个相同的接收通道设计，可以同时采样。每个通道都是差分构建的，这使得可以在单端或差分测量模式下测量任何传感器输入。输入级是一个跨阻放大器，具有可编程增益，后接带通滤波器和积分器，每个样本能够积分7.5 pC。ADC是一款14位逐次逼近寄存器（SAR）转换器，最大采样速率为1 MSPS。每个信号链前面都有一个 8 通道多路复用器，使模拟前端能够灵活地将各种传感器信号路由到 AFE。
图1.ADPD4000系列的高级框图。
该芯片可以测量各种信号，如图1所示。例如，您可以将 AFE 修改为光学前端，以测量光学心率或血氧饱和度。在这种模式下，我们测量光电流，因此需要一个高跨阻输入级将电流转换为电压。我们还需要消除来自环境光的干扰。另一个用例是测量来自心电图（ECG）或EMG传感器的生物电位信号。这需要不同的输入信号链设置，这需要重新配置前端设置。除了接收信号链之外，该芯片还支持八个输出驱动器，可用于提供激励。您可以配置一个或多个输出来驱动 LED 进行光学测量，或者一个或多个驱动器输出可以用作阻抗测量的激励，以测量皮肤阻抗（皮肤电活性 （EDA））或电极阻抗（影响测量质量），同时执行生物电位测量。
该芯片允许用户在特定时隙内对每个配置或测量进行预编程。它最多支持12个时隙，这使得系统在配置后非常易于使用。此外，该芯片不需要额外的处理器资源，这有助于将系统的整体功耗保持在最低水平。在芯片上，您可以过采样和平均，以提高ADC的有效位数（ENOB）。抽取的数据路径宽度为 32 位。测量结果可以存储在256字节或512字节深度FIFO中（ADPD400x与ADPD410x）。
集成了时间戳功能，以支持来自多个连接传感器的数据样本之间的同步。一旦使用多个传感器数据来查找各种测量结果之间的相关性，就需要这样做。图2显示了如何使用该芯片测量与光电容积脉搏波（PPG）测量同步的ECG。基于脉冲传输时间（PPT）测量技术，可以在连续模式下测量血压。这对高血压患者非常有吸引力。时间戳功能使这成为可能。
图2.同时测量心电图和PPG以估计血压。
图 3a 显示了如何支持时隙操作。每个时隙从前置条件脉冲开始，然后是刺激脉冲，最后是光电二极管电流或来自ADC采样的另一个传感器信号的信号。
（a）. 每个时隙的定时操作。
（b）. 多次测量的时隙序列示例。
图3.时隙操作和 ADPD4000 测量序列示例。
图 3b 显示了一个操作序列的示例。上电后，进行复位操作，芯片进入休眠模式。唤醒芯片后，您可以依次对两个ECG信号（例如，LEAD I和LEAD II）进行采样，然后进行光学测量以执行SpO2读数和阻抗测量以测量皮肤电导率（EDA/压力）。下一节将解释实现这些测量中的每一个的过程。
心电图测量变得如此简单
心电图是对人类心脏产生的电信号的测量，这是由于每次心跳时心肌的去极化和复极化。信号的幅度典型值为0.5 mV至4 mV，测量频率范围为0.05 Hz至40 Hz。心电图可以仅用于测量心率，但在许多用例中，我们对波形本身更感兴趣，它可以用作心脏性能的测量或对潜在心脏事件的预警，如动脉颤动或持续性高血压。我们可以通过将电极连接到皮肤来监测心脏活动。为了保证诊断应用中良好的身体接触，通常使用湿电极。最受欢迎的是银/氯化银（Ag/AgCl）电极。在院外应用中，这些电极非常不舒服，很容易变干或开始刺激皮肤。此外，虽然经常使用干电极，但皮肤和电极之间的接触会退化，干电极对运动伪影更敏感，导致读数不准确。
在院外（门诊）应用中，始终需要在优质电极和舒适度之间进行权衡。ADPD4000系列可以解决这个问题，同时无论电极质量如何，都能提供精确的测量。ECG电路不使用电压输入，而是测量检测电容器上累积的电荷。通过根据无源RC网络和采样率计算出优化的时间常数，充电过程消除了皮肤与电极接触阻抗的变化。图1显示了ECG信号如何通过RC网络耦合到芯片中。该ECG电路对皮肤与电极接触阻抗的变化具有固有的免疫力。
图4显示了两个ECG波形。蓝色波形是用高质量的电极测量的，具有51 kΩ的串联阻抗和47 nF电容。但是，红色波形是用质量差的电极测量的，具有高串联阻抗。它具有510 kΩ接触阻抗和4.7 nF电容。我们可以看到，ADPD4000测量两个波形几乎完全相同，与电极质量无关。与市场上的其他解决方案相比，这是该前端的巨大优势。另一个优点是该电路具有极高的功率效率，因为它在捕获充电电容器上的ECG信号时不必处于活动状态。另一个优点是功耗为150 μW至200 μW。
图4.用不同的电极测量两个ECG波形。
PPG 和生物阻抗测量
对于光学和生物阻抗测量，LED驱动器需要分别发光和激励电流进入体内。在许多光学系统中，使用的波长不止一个，这使得该芯片的多功能性非常理想。ADPD4000具有8个输出驱动器，其中4个通道可同时使用，可编程输出电流为每通道最大200 mA，整个驱动器部分最大为400 mA。根据配置，您可以操作多个时隙，每个时隙都有自己的波长来测量，例如光学心率、SpO2、补水或脱水。每个接收信号链都有一个可编程跨阻放大器，后跟一个双级抑制模块，以消除环境光干扰。ADPD41xx系列发射/接收信号链的信噪比（SNR）高达100 dB，因此对于血氧饱和度测量或血压估计等噪声敏感光学测量非常有用。光学系统的功耗在很大程度上取决于系统配置，例如采样和抽取率，以及使用的LED电流。这也与身体上的位置和用户的肤色成正比。
许多可穿戴系统还可以测量皮肤电导率，用于EDA、压力或精神状态监测等应用。需要激励电流来测量压降。ADPD4000系列支持此用例。您可以将芯片配置为 2 线或 4 线测量模式。不包括增强型波形发生器和DFT引擎，因此如果需要阻抗谱，AD5940应用作配套芯片，以补充ADPD4000。阻抗功能还可用于测量电极质量或导联脱落检测。
由于ADPD4xxx具有8通道多路复用器，因此还可以支持辅助输入来测量系统中的电压、电容、温度或运动。
几乎是理想的
随着ADPD4000/ADPD4001的推出，设计人员在处理可穿戴设备、身体贴片或给药系统时面临的许多挑战都得到了解决。对于这些用例中的每一个，性能、尺寸和功耗都是关键规格。这种新型生物医学前端具有高性能、双通道传感器输入级、激励通道、数字处理引擎和定时控制，可满足所有这些要求。ADPD4000和ADPD4001已实现量产，目前已上市，而下一代ADPD4100/ADPD4101预计将于2020年第一季度上市。新一代产品改进了信噪比规格和附加功能，有助于进一步降低整个系统的功耗。尽管所有这些功能都包含在单个芯片中，但它不会使电子设计工程师的工作变得多余，因为有许多参数需要配置以赋予每个系统自己的身份。
