精密低功耗：生物电位信号链中的导联脱落检测

在上一篇博文中，我讨论了电极模型和管理干电极的挑战。基于这些信息，让我们转向电极或引线（电极对）脱落检测的主题，以及此功能如何影响信号链的功率和性能。导联脱落检测是一种提供一些指示（通常是逻辑信号或中断）的方法，表明用户已充分连接到电极，以便可以进行生物电位信号测量。

那么这对功率有什么影响呢？首先，当不使用手表或胸带等设备时，您不会希望不必要地消耗电力。在这种状态下，一些“导联脱落”情况的指示可以使信号链中的组件断电。类似地，“导联开启”条件可以作为唤醒信号，提醒微处理器为组件上电和/或再次开始测量。使用图8233中AD1的导联脱落检测（LOD）和关断（SDN）引脚的示例显示此类序列。导联脱落检测电路也增加了总功耗。如果该功能在断电期间仍处于活动状态，这可能更为重要。

图1 AD8233的电极连接和系统唤醒顺序

导联脱落检测的实施将取决于使用两个或三个电极，并且还可以提供输入偏置（参见第五篇博客）。从性能角度来看，任何接触电极的电路都会影响输入阻抗，输入电流会导致电极极化和差分偏移增加。

双电极直流导联脱落检测

图2显示了双电极溶液的直流导联脱落检测实现方案。上拉电阻（R濮） 连接到一个输入端和一个相等的下拉电阻 （R帕金森） 连接到另一个输入上的地。Rtotal表示两个电极的体阻抗和接触阻抗。一种简化的观察方式是，如果Rtotal为开路，则仪表放大器的输入将拉开并轨输出指示“导联断开”。如果任一电极断开连接，就会发生这种情况。当两个电极都连接时，Rtotal近似为短路，则输入将偏置至中间电源（+Vs/2）。

图 2 – 双电极溶液的直流导联脱落检测和偏置

实际上，电极接触阻抗会导致一些差分偏移和R濮和 R帕金森应做得足够大（例如 10MΩ 以启动），以尽量减少通过电极的电流。电流以相等和相反的方向流过电极的事实意味着它们的极化将不同。这就是我更喜欢下一节中讨论的三电极解决方案的原因之一。“引线脱落”指示器也可能来自低功耗比较器。比较器用于监视仪表放大器输入端的电压，并允许预设阈值电压。

三电极直流导联脱落检测

在图3所示的三电极溶液中，输入偏置（Vbias）由第三个电极提供。现在，每个输入都有一个上拉电阻连接到高电源，这样，如果电极1至3（Rc1-Rc3）上失去接触，单独的比较器可以检测哪个输入电极受损。通过使电流在Rc1和Rc2中沿同一方向流动，电极的极化应该更好地跟踪并导致共模偏移，而不是大的差分偏移。

图 3 – 三电极解决方案的直流引线脱落检测和偏置

也可以使用直流电流源代替上拉电阻。这有助于消除电流对电源电压和Vbias的依赖性，同时还可以将输入阻抗与电流幅度去耦。这些电流的可编程性以及比较器阈值电压增加了不同电极类型的灵活性。断开电流源的能力可实现抽查而不是始终在线的方法。

交流导联脱落检测

使用交流引线脱落检测可以利用电极模型包括一个电容器和一个电阻器并联的事实。这意味着电极阻抗与频率有关，在较高频率下可能更小。图6000中ADPD4框图所示的交流电流源允许零直流电流（无电极极化），并且可以设置为双电位信号带宽之外的频率（本例中为4kHz）。源电流和灌电流在两个ECG通道输入之间来回切换，以产生交流电流。相应电压信号的幅度可以通过相同的ECG通道测量，并同步解调，以便与可编程阈值电压进行比较。

图 4 – ADPD6000 中的交流导联脱落检测

ADAS1021和MAX30003等其他集成解决方案还包括多种不同的选项，可用于实现导联脱落检测。

审核编辑：郭婷