TI常見的模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片詳解(一):ADS1298

ADS1298模數(shù)轉(zhuǎn)換器介紹

ADS1298是（ACTIVE） 具有集成 ECG 前端的 8 通道 24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，主要用于心電圖 （ECG）監(jiān)控中。

ADS1294/6/8/4R/6R/8R是多通道，同步采樣，24位，三角積分（ΔΣ）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）系列產(chǎn)品，此產(chǎn)品具有內(nèi)置的可編程增益放大器（PGA），內(nèi)部基準(zhǔn)，和一個(gè)板載振蕩器。 ADS1294/6/8/4R/6R/8R包含了所有醫(yī)療心電圖（ECG）和腦電圖（EEG）應(yīng)用所通常要求的所有特性。

借助于其高水平的集成和出色的性能，ADS1294/6/8/4R/6R/8R系列產(chǎn)品可以用大大減小的尺寸，功率，和總體成本來(lái)開發(fā)可擴(kuò)展的醫(yī)療儀器。

ADS1294/6/8/4R/6R/8R在每通道上有一個(gè)靈活輸入復(fù)用器，此復(fù)用器可獨(dú)立連接至用于測(cè)試，溫度，和持續(xù)斷線檢測(cè)的內(nèi)部生成信號(hào)。 此外，可選擇輸入通道的各種配置生成右腿驅(qū)動(dòng)器 （RLD） 輸出信號(hào)。 ADS1294/6/8/4R/6R/8R運(yùn)行數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)32KSPS，因此可實(shí)現(xiàn)軟件PACE檢測(cè)。 可通過(guò)上拉／下拉電阻器或激磁電流源極／汲極為該器件內(nèi)部實(shí)施持續(xù)斷線檢測(cè)。 3個(gè)集成的放大器生成標(biāo)準(zhǔn)12引線ECG所需的威爾遜（Wilson）中心終端（WCT）和高德伯格（Goldberger）中心終端（GCT）。 ADS1294R/6R/8R版本包括一個(gè)完全集成的，呼吸阻抗測(cè)量功能。

多個(gè)ADS1294/6/8/4R/6R/8R器件可使用菊花鏈配置級(jí)聯(lián)在高通道數(shù)量系統(tǒng)中。

封裝選項(xiàng)包括微小型 8mm × 8mm ，64焊球 BGA與TQFP-64封裝。 ADS1294/6/8 BGA版本商用額定溫度范圍為0°C至+70°C。 ADS1294R/6R/8R BGA和ADS1294/6/8 TQFP版本工業(yè)用額定溫度范圍是–40°C至+85°C。

特性

8個(gè)低噪音PGA和8個(gè)高分辨率ADC（ADS1298， ADS1298R）

低功耗：每通道 0.75 mW

輸入?yún)⒖荚肼暎?μVPP（150Hz BW， G = 6）

輸入偏置電流：200pA

數(shù)據(jù)速率：250SPS至32kSPS

CMRR：–115dB

可編程增益：1，2，3，4，6，8或者12

支持AAMI EC11，EC13，IEC60601-1，IEC60601-2-27，和IEC60601-2-51標(biāo)準(zhǔn)

單極或雙極電源：

AVDD = 2.7V至5.25V，DVDD = 1.65V至3.6V

內(nèi)置右腿驅(qū)動(dòng)放大器，檢測(cè)，WCT，PACE檢測(cè)，測(cè)試信號(hào)

集成的呼吸阻抗測(cè)量（只適用于ADS1294R/6R/8R）

數(shù)字PACE檢測(cè)功能

內(nèi)置振蕩器與參考

靈活的斷電，待機(jī)模式

串行外設(shè)接口（SPI）- 兼容串口

運(yùn)行溫度范圍：

–40°C至+85°C

圖1：TI的8通道、24位集成式模擬前端器件ADS1298的平面圖。在這個(gè)8mmx8mm的裸片上集成了43個(gè)獨(dú)立IC的功能。

再深入一點(diǎn)，圖2顯示了ADS1298 的SEM橫截面。從圖中可以看出，ADS1298使用了魯棒性、高良率的0.35um 4層鋁Bi-CMOS工藝。Bi-CMOS工藝和低噪聲雙極放大器成就了ADS1298的低功耗和低噪聲性能。

圖2：TI ADS1298芯片的SEM橫截面圖，圖中顯示使用了成熟的、高良率且可靠的4層鋁0.35um工藝。

TI 的ADS1298 采用 8 個(gè)通道的 PGA 以及一個(gè)單獨(dú)的 24 位 Δ-Σ ADC；威爾遜中心終端、功能增強(qiáng)的戈德伯格終端及其放大器，實(shí)現(xiàn)了完全標(biāo)準(zhǔn)的 12 導(dǎo) ECG 集成模擬前端。與分立實(shí)施相比，ADS1298 縮減了組件數(shù)并降低了高達(dá) 95% 的功耗，每通道僅需 1mW 的功效，同時(shí)客戶還可獲得最高級(jí)別的診斷準(zhǔn)確度 。

ECG 系統(tǒng)功能與發(fā)展

ECG 機(jī)的基本功能包括 ECG 波形顯示（通過(guò) LCD 顯示屏或印刷紙媒質(zhì)顯示）、心跳律動(dòng)指示以及通過(guò)按鈕控制的簡(jiǎn)單用戶界面。越來(lái)越多的 ECG 產(chǎn)品要求具備更多的功能，例如通過(guò)便攜式媒體存儲(chǔ)電子病歷、無(wú)線/有線傳輸以及在具有觸摸功能的大型 LCD 顯示屏上顯示 2D/3D 圖像。多級(jí)診斷功能正在幫助沒(méi)有受過(guò)專門 ECG 培訓(xùn)的醫(yī)護(hù)人員掌握 ECG 模式及某些心臟病的信號(hào)指示。在采集并數(shù)字化 ECG 信號(hào)之后，將發(fā)送這些信號(hào)以進(jìn)行顯示和分析，其中包括進(jìn)一步的信號(hào)處理。

信號(hào)采集挑戰(zhàn)：

大的直流偏移和多種干擾信號(hào)的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致 ECG 信號(hào)的測(cè)量面臨挑戰(zhàn)。典型電極的電壓最高可達(dá) 300mV。干擾信號(hào)包含來(lái)自電源的 50/60Hz 干擾、病人活動(dòng)導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)偽影、電外科設(shè)備、除顫脈沖、起搏器脈沖及其它監(jiān)控設(shè)備等引起的射頻干擾。

ECG 內(nèi)所需的準(zhǔn)確度會(huì)隨終端設(shè)備的變化而有所不同：

標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控設(shè)備需要 0.05-30Hz 之間的頻率

診斷設(shè)備需要 0.05-1000Hz 之間的頻率

可以借助能消除兩輸入端 AC 線常見噪聲的高輸入阻抗儀表放大器 （INA） 抵消一些 50Hz/60Hz 共模干擾。為了進(jìn)一步消除輸電線供電噪聲，信號(hào)憑借放大器通過(guò)右腿被反向并向病人驅(qū)回。只需少許微電流甚至更少即可實(shí)現(xiàn)顯著的 CMR 改進(jìn)并保持在 UL544 限制之內(nèi)。此外還會(huì)使用 50/60Hz 數(shù)字陷波濾波器進(jìn)一步降低干擾。

模擬前端選項(xiàng)：

優(yōu)化功耗和模擬前端的 PCB 面積對(duì)于便攜式 ECG 而言非常關(guān)鍵。技術(shù)改進(jìn)后，當(dāng)前提供了多種前端選項(xiàng)：

使用低分辨率 ADC（需要所有濾波器）

使用高分辨率 ADC（需要較少濾波器）

使用 Σ-Δ ADC（無(wú)需濾波器、除 INA 之外的放大器、直流偏移）

使用順序和同步采樣方法。

使用低分辨率（16 位）ADC 時(shí)，信號(hào)需要被顯著增益（增幅通常為 100–200 倍）以達(dá)到必要的分辨率。使用高分辨率（24 位）Σ-Δ ADC 時(shí)，信號(hào)需要 4–5 倍的適度增益。因此可以除去消除直流偏移所需的第二增益級(jí)和電路。這將實(shí)現(xiàn)面積與成本上的整體縮減。Σ-Δ 方法還將保留信號(hào)的整個(gè)頻率內(nèi)容，并為數(shù)據(jù)后期處理提供充分的靈活性。

借助順序方法，創(chuàng)建 ECG 引線的單個(gè)通道可被復(fù)用到一個(gè) ADC。這樣一來(lái)，相鄰?fù)ǖ篱g必然會(huì)存在偏移。借助同步采樣方法即可將專用 ADC 用于每個(gè)通道，因此通道之間不存在前面提及的偏移。