醫療：監測我們體內的聲音
監測人體內的聲音仍然是醫生診斷的一個重要手段。早在19世紀，auscultatory(來自拉丁語auscultatus，意為“專心傾聽”)技術首先應用于聽診器。現今的技術已經超越了麥克風類型的傳感器，而發展到壓電傳感器。
今天的大多數電子聽診器都內置一組具有不同頻率響應的可配置濾波器。這些濾波器可以更好地收聽人體的各個區域，例如心臟(20Hz至400Hz范圍)，關節、腸道，或肺部(100Hz至1200Hz范圍)。大多數濾波器都被設計為具有可調截止頻率的帶通，經常采用降噪算法來減少干擾，諸如患者移動或環境噪聲等。Maxim Integrated公司提供了一個很好的電子聽診器原理框圖(見圖1)。
數字聽診器的原理框圖(圖片由Maxim Integrated提供)
聽診器也可以由機械調節的隔膜來調節信號。
醫療：針對移動健康監測的無線ECG
參考文獻2中提到的無線可穿戴設備能夠通過非接觸式容性電極來測量心電圖(ECG)和呼吸率(RR)。良好的模擬前端設計是這種設計的關鍵架構元素，可進行信號調節并產生強勁、清潔的輸出。主動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回傳到受試者的皮膚，在這種架構中皮膚是系統的接地端。一旦通過電極獲取了信號，就將其發送到差分分離濾波器(DSF)。DSF負責將差分信號分成兩個主要信號分量：
1. 頻率高于1 Hz的信號
2. 頻率低于1 Hz的信號(此階段對于分離ECG和RR信號分量至關重要)。
整個信號調節電路如圖2所示。有關該電路及其中使用的增益和元件值的更多信息，請參見參考文獻2。
圖2：模擬前端框圖(圖片來自參考文獻2)
現在，圖2中的儀表放大器(IA)將開始提取ECG信號。高共模抑制比(CMRR)IA將抑制兩個電極之間的共模信號，從而消除由于接觸或AC干擾引起的感應噪聲。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。大部分系統增益將通過INA121獲得，以便在調節電路的輸入端最大化CMRR。
接下來，ECG信號的二階有源低通濾波器(LPF)具有100Hz相對陡峭的截止頻率，它被配置為Sallen-Key KRC架構。接下來是2級的非反相增益，然后是ADC前面必要的抗混疊濾波器。有關此AFE、呼吸率等類似信號調節的更多信息，以及差分分離濾波器，請參見參考文獻2。
MEMS換能器的斬波放大器信號調節
使用MEMS器件的容性感應具有低功耗、良好的噪聲性能和低溫度系數等優點。在高分辨率靈敏度應用中，對于標稱電容小于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，因此需要低容性負載。信號調節是必要的，而且必須非常準確，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。已經確知輸入噪聲和輸入寄生電容都將影響靈敏度。
在這種設計中，有兩個不同的放大器(A2)用兩個不同的頻率斬波以消除它們的閃爍噪聲。此外，設計人員還在第一階增加了一個低壓、大電流放大器(A1)，這樣將改善架構的功耗和本底噪聲。
第二階設計有兩條平行路徑，可提高SNR，并提供兩種增益設置(圖3)。
圖3：參考文獻5中提出的電路原理圖，其中Rbias電阻是偽電阻，可達到更高的電阻值(圖片來自參考文獻5)
圖3中的傳感器輸入級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電容的電容器組可以去除換能器偏移，以匹配標稱傳感器電容。
在電壓模式下，電壓模式混合器連接到引腳IN3和IN4，同時電壓模式混合器被激活以切斷電壓信號。電容路徑傳輸門將其斷開，并禁用電容橋時鐘。
圖3示出了兩個差分輸入對的示意圖，它們進入加法器并加到Gm-C低通濾波器上，該濾波器添加了來自兩個路徑的信號，并在信號被斬波到基帶后消除了帶外頻率失真。電容Cf為15 pF。
在獨特的信號調節環境中測量電阻
在這里，我們將介紹一種信號調節方法，通過電容耦合電極來測量絕緣管中水的電阻和電導率。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量。
該技術解決了傳統的接觸式導電測量方法引起的電極污染和極化問題。這里的主要挑戰是：與被測水柱的電阻相比，耦合電容器的電抗很大。耦合電容也會隨著時間的推移而變化，這也是一個挑戰。
參考文獻6說明了一種可以克服這些挑戰的自動平衡信號調節方法，其中所提供的輸出與被測電阻成正比，并且與耦合電容的值無關。
測量探針
測量探針帶有兩個圓形金屬電極(激發電極和接收電極)，必須有介電涂層。當激勵電極被激勵時，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率測量，圖4中的整個探頭將被海水包圍，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)電導率測量探頭側視圖和(b)電導率測量探頭橫截面圖。(圖片來自參考文獻6)
圖4顯示了激發電極和水柱之間存在的電介質。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。激勵電極和接收器電極之間的水柱電阻在圖中表示為Rx。目標是創建一個測量Rx的方法，同時不受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6)
自動平衡信號調節電路
在圖6中，vin是一個正弦電壓源，饋入由運算放大器OA1和OA2組成的兩個電流-電壓轉換器電路。vin驅動兩個電流-電壓轉換器，其中一個包含運算放大器OA1，其反饋路徑由電容耦合導電測量探頭組成。vin還驅動另一個由運算放大器OA2構成的電流-電壓轉換器，其反饋路徑包括具有增益G的壓控放大器(VCA)和標準電容Cs。這兩個電流-電壓轉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算放大器OA3構成的反相加法器。
運算放大器OA3的輸出饋送到相位檢測電路(PDC)的輸入端，這一PDC電路包括比較器OC1、OC2 、XOR門、SPDT開關，以及由運算放大器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，該積分器由運放OA5、輸入電阻R8和反饋電容C2組成。通過電容耦合測量探針的電流I01 = vin/R1A，其中vin = Vm Sin(ωt)。有關設計細節，請參見圖6和參考文獻6。
圖6：用于電容耦合測量探頭的自動平衡和信號調節電路圖(圖片來自參考文獻6)
最新的行業器件和軟件解決方案
意法半導體
意法半導體最近推出了TSB712A，這是一款新型精密運算放大器，在很寬的電壓和溫度范圍內都具有非常穩定的參數性能。為了輔助傳感器信號調節，該器件內置有輸入濾波器，可確保在寬頻率范圍內達到很好的EMI抑制比(EMIRR)，從而提高在工業、汽車應用或靠近RF設備的系統等高噪聲環境下的易感性。EMIRR顯示出運算放大器的EMI抗擾能力。一個對許多運算放大器不利的影響是偏移電壓的變化，這是由于RF信號整流而引起的，可以通過以下等式來定義：
EMIRR= 20log(Vin pp/ΔVio)
意法半導體還有一個eDesign Suite工具，可以使用意法半導體產品進行信號調節的仿真。
Linear Systems公司
有許多設計可以在信號調節中使用分立元件，如晶體管和FET等。看看這種將低電容JFET添加到運算放大器的簡潔設計，可以降低輸入電容并降低電路中的噪聲(圖7)。
添加到運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4)
高阻抗輸入、緩沖的A-D轉換器可簡化信號調節
ADI公司的LTC2358-18是一款18位、200 kHz、低噪聲的A/D轉換器，具有同步采樣的緩沖8通道輸入。為了協助MEMS和傳感器輸入的信號調節，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外部信號調節的需要，甚至在某些設計中根本不需要它。
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。這樣就無需使用外部運放緩沖器了，這些緩沖器通常具有瞬態導通的二極管保護作用，但可能會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動要求，可讓設計人員選擇具有kΩ阻抗和任意的慢時間常數的RC濾波器，以實現抗混疊。具有有限驅動能力的微功率運放也非常適合直接驅動高阻抗模擬輸入。
單端輸入驅動器還增加了額外的外部串擾隔離功能，因為所有其他輸入引腳都是要么接地，要么是低阻抗直流電源，并且用作通道之間的屏蔽。該ADC另一個不錯的信號調節特性是能夠在高達10mA的任何通道上驅動高于VCC的模擬輸入信號，而不會影響其他通道的轉換結果。
這種ADC真正的高阻抗模擬輸入可以適應各種無源或有源信號調節濾波器。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立于ADC進行優化，以降低信號鏈噪聲和干擾。常見的濾波器配置是簡單的抗混疊和降噪RC濾波器，其極點為采樣頻率的一半。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)
用于電化學和生物傳感器的混合信號AFE和微控制器
我對用于MEMS和傳感器信號調節的半導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傳感器接口，適用于工業氣體傳感、儀器儀表、生命體征監測，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阻抗譜(EIS)功能的解決方案，而且還支持雙恒電位儀和三個以上的傳感器電極。
其他集成的信號調節功能包括：
? 電壓、電流和阻抗測量功能
? 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測量通道
綜上所述，可以看到有很多信號調節技術和選項可以提高設計的MEMS和傳感器輸入性能。將來會繼續看到更多創新方法來增強信號調節能力。
參考文獻：
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3. Signal conditioning circuit with ultra-high sensitivity and ultra-low power consumption for MEMS, Parisa Vejdani, Anoir Bouchami, and Frederic Nabki, IEEE 2017
4. A Guide to Using FETS for Sensor Applications, Ron Quan, Linear Integrated Systems
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7. Buffered ADC Family Eliminates Signal Conditioning Complexity, Joe Sousa, Andrew Thomas, Clement Wagner, Mark Thoren, Linear Technology (now part of Analog Devices, Inc.)
8. Signal conditioning for electrochemical sensors, AN4348, ST Microelectronics
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
手機掃描二維碼
