醫(yī)療：監(jiān)測(cè)我們體內(nèi)的聲音
監(jiān)測(cè)人體內(nèi)的聲音仍然是醫(yī)生診斷的一個(gè)重要手段。早在19世紀(jì)，auscultatory(來自拉丁語(yǔ)auscultatus，意為“專心傾聽”)技術(shù)首先應(yīng)用于聽診器?，F(xiàn)今的技術(shù)已經(jīng)超越了麥克風(fēng)類型的傳感器，而發(fā)展到壓電傳感器。
今天的大多數(shù)電子聽診器都內(nèi)置一組具有不同頻率響應(yīng)的可配置濾波器。這些濾波器可以更好地收聽人體的各個(gè)區(qū)域，例如心臟(20Hz至400Hz范圍)，關(guān)節(jié)、腸道，或肺部(100Hz至1200Hz范圍)。大多數(shù)濾波器都被設(shè)計(jì)為具有可調(diào)截止頻率的帶通，經(jīng)常采用降噪算法來減少干擾，諸如患者移動(dòng)或環(huán)境噪聲等。Maxim Integrated公司提供了一個(gè)很好的電子聽診器原理框圖(見圖1)。
數(shù)字聽診器的原理框圖(圖片由Maxim Integrated提供)
聽診器也可以由機(jī)械調(diào)節(jié)的隔膜來調(diào)節(jié)信號(hào)。
醫(yī)療：針對(duì)移動(dòng)健康監(jiān)測(cè)的無線ECG
參考文獻(xiàn)2中提到的無線可穿戴設(shè)備能夠通過非接觸式容性電極來測(cè)量心電圖(ECG)和呼吸率(RR)。良好的模擬前端設(shè)計(jì)是這種設(shè)計(jì)的關(guān)鍵架構(gòu)元素，可進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)并產(chǎn)生強(qiáng)勁、清潔的輸出。主動(dòng)電極嵌入到可穿戴背心，與受試者的胸部接觸，參考電極直接放在受試者的皮膚上。參考電極將共模輸入信號(hào)回傳到受試者的皮膚，在這種架構(gòu)中皮膚是系統(tǒng)的接地端。一旦通過電極獲取了信號(hào)，就將其發(fā)送到差分分離濾波器(DSF)。DSF負(fù)責(zé)將差分信號(hào)分成兩個(gè)主要信號(hào)分量：
1. 頻率高于1 Hz的信號(hào)
2. 頻率低于1 Hz的信號(hào)(此階段對(duì)于分離ECG和RR信號(hào)分量至關(guān)重要)。
整個(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)電路如圖2所示。有關(guān)該電路及其中使用的增益和元件值的更多信息，請(qǐng)參見參考文獻(xiàn)2。
圖2：模擬前端框圖(圖片來自參考文獻(xiàn)2)
現(xiàn)在，圖2中的儀表放大器(IA)將開始提取ECG信號(hào)。高共模抑制比(CMRR)IA將抑制兩個(gè)電極之間的共模信號(hào)，從而消除由于接觸或AC干擾引起的感應(yīng)噪聲。德州儀器(原Burr-Brown器件)的INA121是具有高阻抗的FET輸入器件，可放大微小的ECG信號(hào)。大部分系統(tǒng)增益將通過INA121獲得，以便在調(diào)節(jié)電路的輸入端最大化CMRR。
接下來，ECG信號(hào)的二階有源低通濾波器(LPF)具有100Hz相對(duì)陡峭的截止頻率，它被配置為Sallen-Key KRC架構(gòu)。接下來是2級(jí)的非反相增益，然后是ADC前面必要的抗混疊濾波器。有關(guān)此AFE、呼吸率等類似信號(hào)調(diào)節(jié)的更多信息，以及差分分離濾波器，請(qǐng)參見參考文獻(xiàn)2。
MEMS換能器的斬波放大器信號(hào)調(diào)節(jié)
使用MEMS器件的容性感應(yīng)具有低功耗、良好的噪聲性能和低溫度系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。在高分辨率靈敏度應(yīng)用中，對(duì)于標(biāo)稱電容小于100 fF的MEMS換能器，所需的靈敏度可小于1 fF。這種換能器與傳感電路集成在一起，因此需要低容性負(fù)載。信號(hào)調(diào)節(jié)是必要的，而且必須非常準(zhǔn)確，噪音要低。這表明輸入電容和噪聲電壓也要很低。在慣性傳感器應(yīng)用中，在接近DC的頻率上需要高靈敏度。因此，斬波放大器可能是消除閃爍噪聲和DC偏移的最佳選擇。
與單個(gè)斬波放大器相比，雙斬波放大器(DCA)具有更低的寄生電容和功耗。已經(jīng)確知輸入噪聲和輸入寄生電容都將影響靈敏度。
在這種設(shè)計(jì)中，有兩個(gè)不同的放大器(A2)用兩個(gè)不同的頻率斬波以消除它們的閃爍噪聲。此外，設(shè)計(jì)人員還在第一階增加了一個(gè)低壓、大電流放大器(A1)，這樣將改善架構(gòu)的功耗和本底噪聲。
第二階設(shè)計(jì)有兩條平行路徑，可提高SNR，并提供兩種增益設(shè)置(圖3)。
圖3：參考文獻(xiàn)5中提出的電路原理圖，其中Rbias電阻是偽電阻，可達(dá)到更高的電阻值(圖片來自參考文獻(xiàn)5)
圖3中的傳感器輸入級(jí)將支持電容和電壓模式。在電容模式中，MEMS換能器CS連接到電容橋，該電容橋是斬波放大器電路的一部分。通過施加到電容橋中的一個(gè)電容的電容器組可以去除換能器偏移，以匹配標(biāo)稱傳感器電容。
在電壓模式下，電壓模式混合器連接到引腳IN3和IN4，同時(shí)電壓模式混合器被激活以切斷電壓信號(hào)。電容路徑傳輸門將其斷開，并禁用電容橋時(shí)鐘。
圖3示出了兩個(gè)差分輸入對(duì)的示意圖，它們進(jìn)入加法器并加到Gm-C低通濾波器上，該濾波器添加了來自兩個(gè)路徑的信號(hào)，并在信號(hào)被斬波到基帶后消除了帶外頻率失真。電容Cf為15 pF。
在獨(dú)特的信號(hào)調(diào)節(jié)環(huán)境中測(cè)量電阻
在這里，我們將介紹一種信號(hào)調(diào)節(jié)方法，通過電容耦合電極來測(cè)量絕緣管中水的電阻和電導(dǎo)率。由于電極與水是絕緣的，因此通過在水柱和電極之間形成的電容來測(cè)量。
該技術(shù)解決了傳統(tǒng)的接觸式導(dǎo)電測(cè)量方法引起的電極污染和極化問題。這里的主要挑戰(zhàn)是：與被測(cè)水柱的電阻相比，耦合電容器的電抗很大。耦合電容也會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化，這也是一個(gè)挑戰(zhàn)。
參考文獻(xiàn)6說明了一種可以克服這些挑戰(zhàn)的自動(dòng)平衡信號(hào)調(diào)節(jié)方法，其中所提供的輸出與被測(cè)電阻成正比，并且與耦合電容的值無關(guān)。
測(cè)量探針
測(cè)量探針帶有兩個(gè)圓形金屬電極(激發(fā)電極和接收電極)，必須有介電涂層。當(dāng)激勵(lì)電極被激勵(lì)時(shí)，電流將流到水中，并且被接收器電極收集。如果用于海水的電導(dǎo)率測(cè)量，圖4中的整個(gè)探頭將被海水包圍，電極上的絕緣體將有助于避免電極與其周圍的水直接接觸。
圖4：傳感器探頭：(a)電導(dǎo)率測(cè)量探頭側(cè)視圖和(b)電導(dǎo)率測(cè)量探頭橫截面圖。(圖片來自參考文獻(xiàn)6)
圖4顯示了激發(fā)電極和水柱之間存在的電介質(zhì)。在電極和水的外表面之間形成電容Cx1。類似地，在接收器電極和水之間也形成電容，如圖5中的Cx2。激勵(lì)電極和接收器電極之間的水柱電阻在圖中表示為Rx。目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)測(cè)量Rx的方法，同時(shí)不受Cx1和Cx2值的影響。
圖5：傳感器探頭的電氣等效電路表示(圖片來自參考文獻(xiàn)6)
自動(dòng)平衡信號(hào)調(diào)節(jié)電路
在圖6中，vin是一個(gè)正弦電壓源，饋入由運(yùn)算放大器OA1和OA2組成的兩個(gè)電流-電壓轉(zhuǎn)換器電路。vin驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電流-電壓轉(zhuǎn)換器，其中一個(gè)包含運(yùn)算放大器OA1，其反饋路徑由電容耦合導(dǎo)電測(cè)量探頭組成。vin還驅(qū)動(dòng)另一個(gè)由運(yùn)算放大器OA2構(gòu)成的電流-電壓轉(zhuǎn)換器，其反饋路徑包括具有增益G的壓控放大器(VCA)和標(biāo)準(zhǔn)電容Cs。這兩個(gè)電流-電壓轉(zhuǎn)換器的輸出連接到高通濾波器。這些高通濾波器的輸出相加到由運(yùn)算放大器OA3構(gòu)成的反相加法器。
運(yùn)算放大器OA3的輸出饋送到相位檢測(cè)電路(PDC)的輸入端，這一PDC電路包括比較器OC1、OC2 、XOR門、SPDT開關(guān)，以及由運(yùn)算放大器OA4組成的Sallen-Key二階低通濾波器。PDC的參考輸入是vin 到OC2。PDC的輸出通過積分器控制VCA的增益G，該積分器由運(yùn)放OA5、輸入電阻R8和反饋電容C2組成。通過電容耦合測(cè)量探針的電流I01 = vin/R1A，其中vin = Vm Sin(ωt)。有關(guān)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，請(qǐng)參見圖6和參考文獻(xiàn)6。
圖6：用于電容耦合測(cè)量探頭的自動(dòng)平衡和信號(hào)調(diào)節(jié)電路圖(圖片來自參考文獻(xiàn)6)
最新的行業(yè)器件和軟件解決方案
意法半導(dǎo)體
意法半導(dǎo)體最近推出了TSB712A，這是一款新型精密運(yùn)算放大器，在很寬的電壓和溫度范圍內(nèi)都具有非常穩(wěn)定的參數(shù)性能。為了輔助傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)，該器件內(nèi)置有輸入濾波器，可確保在寬頻率范圍內(nèi)達(dá)到很好的EMI抑制比(EMIRR)，從而提高在工業(yè)、汽車應(yīng)用或靠近RF設(shè)備的系統(tǒng)等高噪聲環(huán)境下的易感性。EMIRR顯示出運(yùn)算放大器的EMI抗擾能力。一個(gè)對(duì)許多運(yùn)算放大器不利的影響是偏移電壓的變化，這是由于RF信號(hào)整流而引起的，可以通過以下等式來定義：
EMIRR= 20log(Vin pp/ΔVio)
意法半導(dǎo)體還有一個(gè)eDesign Suite工具，可以使用意法半導(dǎo)體產(chǎn)品進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)的仿真。
Linear Systems公司
有許多設(shè)計(jì)可以在信號(hào)調(diào)節(jié)中使用分立元件，如晶體管和FET等?？纯催@種將低電容JFET添加到運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)，可以降低輸入電容并降低電路中的噪聲(圖7)。
添加到運(yùn)算放大器電路的低電容JFET，可降低輸入電容并減少噪聲(圖片來自參考文獻(xiàn)4)
高阻抗輸入、緩沖的A-D轉(zhuǎn)換器可簡(jiǎn)化信號(hào)調(diào)節(jié)
ADI公司的LTC2358-18是一款18位、200 kHz、低噪聲的A/D轉(zhuǎn)換器，具有同步采樣的緩沖8通道輸入。為了協(xié)助MEMS和傳感器輸入的信號(hào)調(diào)節(jié)，其集成的皮安輸入模擬緩沖器、寬輸入共模范圍和128 dB CMRR等特性有助于最大限度地減少對(duì)外部信號(hào)調(diào)節(jié)的需要，甚至在某些設(shè)計(jì)中根本不需要它。
介于輸入和VCC/VEE電源之間的二極管可為ADC輸入提供必要的ESD保護(hù)。這樣就無需使用外部運(yùn)放緩沖器了，這些緩沖器通常具有瞬態(tài)導(dǎo)通的二極管保護(hù)作用，但可能會(huì)破壞其輸入端上任何濾波電容上的電壓。
該ADC集成了單位增益緩沖器，其高輸入阻抗大大降低了輸入驅(qū)動(dòng)要求，可讓設(shè)計(jì)人員選擇具有kΩ阻抗和任意的慢時(shí)間常數(shù)的RC濾波器，以實(shí)現(xiàn)抗混疊。具有有限驅(qū)動(dòng)能力的微功率運(yùn)放也非常適合直接驅(qū)動(dòng)高阻抗模擬輸入。
單端輸入驅(qū)動(dòng)器還增加了額外的外部串?dāng)_隔離功能，因?yàn)樗衅渌斎胍_都是要么接地，要么是低阻抗直流電源，并且用作通道之間的屏蔽。該ADC另一個(gè)不錯(cuò)的信號(hào)調(diào)節(jié)特性是能夠在高達(dá)10mA的任何通道上驅(qū)動(dòng)高于VCC的模擬輸入信號(hào)，而不會(huì)影響其他通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。
這種ADC真正的高阻抗模擬輸入可以適應(yīng)各種無源或有源信號(hào)調(diào)節(jié)濾波器。緩沖的ADC輸入的模擬帶寬為6 MHz，沒有外部濾波器的特定帶寬要求。外部輸入濾波器可以獨(dú)立于ADC進(jìn)行優(yōu)化，以降低信號(hào)鏈噪聲和干擾。常見的濾波器配置是簡(jiǎn)單的抗混疊和降噪RC濾波器，其極點(diǎn)為采樣頻率的一半。例如，頻率為100 kHz，R =2.43kΩ，C = 680 pF，如圖8所示。
圖8：過濾單端輸入(圖片由Analog Devices提供)
用于電化學(xué)和生物傳感器的混合信號(hào)AFE和微控制器
我對(duì)用于MEMS和傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)的半導(dǎo)體方案的最后觀察是ADI公司的ADuCM355。這是一款精密模擬微控制器，具有生物傳感器和化學(xué)傳感器接口，適用于工業(yè)氣體傳感、儀器儀表、生命體征監(jiān)測(cè)，以及疾病管理等。
該方案是目前唯一可在單芯片上集成雙電位器和電化學(xué)阻抗譜(EIS)功能的解決方案，而且還支持雙恒電位儀和三個(gè)以上的傳感器電極。
其他集成的信號(hào)調(diào)節(jié)功能包括：
? 電壓、電流和阻抗測(cè)量功能
? 雙超低功耗、低噪聲恒電位儀：8.5 uA, 1.6 uV RMS
? 靈活的16位、400ksps測(cè)量通道
綜上所述，可以看到有很多信號(hào)調(diào)節(jié)技術(shù)和選項(xiàng)可以提高設(shè)計(jì)的MEMS和傳感器輸入性能。將來會(huì)繼續(xù)看到更多創(chuàng)新方法來增強(qiáng)信號(hào)調(diào)節(jié)能力。
參考文獻(xiàn)：
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9. ADuCM355 data sheet, Precision Analog Microcontroller with Chemical Sensor Interface, Analog Devices
10. An Introduction to Electrochemical Impedance Spectroscopy, C.Reece, Jefferson Lab, 2015
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