TI常见的模数转换器芯片详解(一):ADS1298

ADS1298模数转换器介绍

ADS1298是（ACTIVE） 具有集成 ECG 前端的 8 通道 24 位模数转换器，主要用于心电图 （ECG）监控中。

ADS1294/6/8/4R/6R/8R是多通道，同步采样，24位，三角积分（ΔΣ）模数转换器（ADC）系列产品，此产品具有内置的可编程增益放大器（PGA），内部基准，和一个板载振荡器。 ADS1294/6/8/4R/6R/8R包含了所有医疗心电图（ECG）和脑电图（EEG）应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系列产品可以用大大减小的尺寸，功率，和总体成本来开发可扩展的医疗仪器。

ADS1294/6/8/4R/6R/8R在每通道上有一个灵活输入复用器，此复用器可独立连接至用于测试，温度，和持续断线检测的内部生成信号。 此外，可选择输入通道的各种配置生成右腿驱动器 （RLD） 输出信号。 ADS1294/6/8/4R/6R/8R运行数据速率最高可达32KSPS，因此可实现软件PACE检测。 可通过上拉／下拉电阻器或激磁电流源极／汲极为该器件内部实施持续断线检测。 3个集成的放大器生成标准12引线ECG所需的威尔逊（Wilson）中心终端（WCT）和高德伯格（Goldberger）中心终端（GCT）。 ADS1294R/6R/8R版本包括一个完全集成的，呼吸阻抗测量功能。

多个ADS1294/6/8/4R/6R/8R器件可使用菊花链配置级联在高通道数量系统中。

封装选项包括微小型 8mm × 8mm ，64焊球 BGA与TQFP-64封装。 ADS1294/6/8 BGA版本商用额定温度范围为0°C至+70°C。 ADS1294R/6R/8R BGA和ADS1294/6/8 TQFP版本工业用额定温度范围是–40°C至+85°C。

特性

8个低噪音PGA和8个高分辨率ADC（ADS1298， ADS1298R）

低功耗：每通道 0.75 mW

输入参考噪声：4μVPP（150Hz BW， G = 6）

输入偏置电流：200pA

数据速率：250SPS至32kSPS

CMRR：–115dB

可编程增益：1，2，3，4，6，8或者12

支持AAMI EC11，EC13，IEC60601-1，IEC60601-2-27，和IEC60601-2-51标准

单极或双极电源：

AVDD = 2.7V至5.25V，DVDD = 1.65V至3.6V

内置右腿驱动放大器，检测，WCT，PACE检测，测试信号

集成的呼吸阻抗测量（只适用于ADS1294R/6R/8R）

数字PACE检测功能

内置振荡器与参考

灵活的断电，待机模式

串行外设接口（SPI）- 兼容串口

运行温度范围：

–40°C至+85°C

图1：TI的8通道、24位集成式模拟前端器件ADS1298的平面图。在这个8mmx8mm的裸片上集成了43个独立IC的功能。

再深入一点，图2显示了ADS1298 的SEM横截面。从图中可以看出，ADS1298使用了鲁棒性、高良率的0.35um 4层铝Bi-CMOS工艺。Bi-CMOS工艺和低噪声双极放大器成就了ADS1298的低功耗和低噪声性能。

图2：TI ADS1298芯片的SEM横截面图，图中显示使用了成熟的、高良率且可靠的4层铝0.35um工艺。

TI 的ADS1298 采用 8 个通道的 PGA 以及一个单独的 24 位 Δ-Σ ADC；威尔逊中心终端、功能增强的戈德伯格终端及其放大器，实现了完全标准的 12 导 ECG 集成模拟前端。与分立实施相比，ADS1298 缩减了组件数并降低了高达 95% 的功耗，每通道仅需 1mW 的功效，同时客户还可获得最高级别的诊断准确度 。

ECG 系统功能与发展

ECG 机的基本功能包括 ECG 波形显示（通过 LCD 显示屏或印刷纸媒质显示）、心跳律动指示以及通过按钮控制的简单用户界面。越来越多的 ECG 产品要求具备更多的功能，例如通过便携式媒体存储电子病历、无线/有线传输以及在具有触摸功能的大型 LCD 显示屏上显示 2D/3D 图像。多级诊断功能正在帮助没有受过专门 ECG 培训的医护人员掌握 ECG 模式及某些心脏病的信号指示。在采集并数字化 ECG 信号之后，将发送这些信号以进行显示和分析，其中包括进一步的信号处理。

信号采集挑战：

大的直流偏移和多种干扰信号的出现会导致 ECG 信号的测量面临挑战。典型电极的电压最高可达 300mV。干扰信号包含来自电源的 50/60Hz 干扰、病人活动导致的运动伪影、电外科设备、除颤脉冲、起搏器脉冲及其它监控设备等引起的射频干扰。

ECG 内所需的准确度会随终端设备的变化而有所不同：

标准监控设备需要 0.05-30Hz 之间的频率

诊断设备需要 0.05-1000Hz 之间的频率

可以借助能消除两输入端 AC 线常见噪声的高输入阻抗仪表放大器 （INA） 抵消一些 50Hz/60Hz 共模干扰。为了进一步消除输电线供电噪声，信号凭借放大器通过右腿被反向并向病人驱回。只需少许微电流甚至更少即可实现显著的 CMR 改进并保持在 UL544 限制之内。此外还会使用 50/60Hz 数字陷波滤波器进一步降低干扰。

模拟前端选项：

优化功耗和模拟前端的 PCB 面积对于便携式 ECG 而言非常关键。技术改进后，当前提供了多种前端选项：

使用低分辨率 ADC（需要所有滤波器）

使用高分辨率 ADC（需要较少滤波器）

使用 Σ-Δ ADC（无需滤波器、除 INA 之外的放大器、直流偏移）

使用顺序和同步采样方法。

使用低分辨率（16 位）ADC 时，信号需要被显著增益（增幅通常为 100–200 倍）以达到必要的分辨率。使用高分辨率（24 位）Σ-Δ ADC 时，信号需要 4–5 倍的适度增益。因此可以除去消除直流偏移所需的第二增益级和电路。这将实现面积与成本上的整体缩减。Σ-Δ 方法还将保留信号的整个频率内容，并为数据后期处理提供充分的灵活性。

借助顺序方法，创建 ECG 引线的单个通道可被复用到一个 ADC。这样一来，相邻通道间必然会存在偏移。借助同步采样方法即可将专用 ADC 用于每个通道，因此通道之间不存在前面提及的偏移。