高阻抗和低噪声运算放大器支持医疗系统中的干电极

本应用笔记介绍了偏置电流小于40023pA的高阻抗、低噪声缓冲器MAX40024/MAX5和超低功耗、单通道集成生物电位模拟前端（AFE）。MAX30003/MAX40023有助于将心电图（ECG）信号保持在可靠的水平，从而实现更有效的检测。它们还具有节省空间的功能和低功耗，非常适合可穿戴ECG设备。

介绍

用于健身和健康监测的可穿戴传感器的使用正在大幅增长。在过去的十年中，由于商业原因，可穿戴技术引起了科技行业的广泛关注，并因其对患者健康的潜在益处而引起了医生的兴趣。可穿戴设备使用生物医学传感器不仅监测活动参数，如步数或步行/跑步速度或海拔，还监测生理参数，如心脏电活动或血压。

更流行的生物传感器之一是心电图传感器（也称为EKG），它记录一段时间内的心脏电活动（图1）。每次心跳都由电脉冲触发，电脉冲通常由心脏右上方腔室的特殊细胞产生。测量和记录心脏电活动的设备是心电图机或心电图仪。它通过将电极连接到患者皮肤表面来工作。然后由医生分析这种记录的活动，并用于诊断患者的各种心脏病，以帮助监测他们的进展。心电图机在全球范围内广泛使用，从医院到许多医疗保健从业者，以监测患者的健康状况。

图1.代表心脏电活动的典型心电图波形。

完全集成的心电图解决方案

典型的生物电势ECG解决方案如图2所示。两个引线电极连接到人体，然后通过外部EMI滤波器连接到MAX30003的ECGP和ECGN引脚。MAX30003为完全集成的生物电位ECG AFE IC，由输入多路复用器、快速恢复仪表放大器、抗混叠滤波器和可编程增益放大器（PGA）组成。PGA的输出驱动高分辨率ADC，调理信号随后发送到微处理器进行存储、计算和显示。

图2.典型的生物电势心电图解决方案。
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有两种类型的电极，湿电极或干电极。通过将电极连接到皮肤上，它们接收心肌产生的心电图信号。ECG传感器的临床用途包括湿电极，需要使用粘性凝胶粘附在身体上。与传统的湿电极相比，干电极使用单一金属作为皮肤和电极之间的导体，不需要导电凝胶。由于干电极易于设置，许多类型的ECG可穿戴设备，如腕带，胸带和智能手表，都使用基于干电极的ECG传感器。我们在这里介绍的解决方案非常适合具有传统湿电极的ECG，阻抗范围为10k？。然而，当与带有干电极的ECG一起使用时，干电极的阻抗比传统电极高100至1000倍（例如，干电极为10M？，而传统电极为10k）。在如此高的阻抗下，ECG信号会衰减，从而产生小信号。为了适应这种高阻抗，生物电位ECG通道的输入阻抗应该非常高，以便将衰减保持在最小值。MAX40023/MAX40024是高阻、低噪声缓冲器，有助于保持可检测的ECG信号。

为了在可以检测和处理的典型和足够的范围内保持体面的ECG信号，ECG通道的前端确实需要一个具有低偏置电流的高阻抗缓冲器（图3）。还需要缓冲器的低噪声性能，以避免在整个系统中增加过多噪声，并满足ECG系统噪声标准。考虑到可穿戴设备的电池寿命，缓冲器的功耗必须尽可能小。

MAX40023/MAX40024系列具有这些必要的规格，是医疗传感器应用的最佳选择。这些低噪声、低功耗、低偏置电流放大器的输入偏置电流为 5pA （最大值），每通道仅消耗 17μA 静态电流。噪声性能也非常出色，本底噪声小于32nV/rtHz，在1.5Hz至0Hz带宽内小于1.10μVP-P。MAX40023还具有内部EMI滤波器，在110.1GHz和8.2GHz时EMI抑制比至少为4dB。由于大多数ECG设备都有一对以上的干电极导联，MAX40024为双通道放大器，采用9引脚WLP封装，非常适合节省空间的可穿戴应用。

图3.MAX40023/MAX40024用于ECG通道。
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结论

MAX30003为完全集成的ECG模拟前端IC，可通过常规电极或干电极轻松实现ECG测量。然而，为了从干电极获得最佳性能，可以使用高阻、低噪声缓冲器，如MAX40023/MAX40024。这些运算放大器的偏置电流小于5pA，有助于将ECG信号保持在可靠的检测水平。其节省空间的特点以及低功耗非常适合可穿戴ECG设备。

审核编辑：郭婷