精密低功耗信号链：生物电势测量挑战简介

在这个新的精密低功耗博客系列中，我们将深入探讨进行生物电势测量的挑战。我们还将解决一些经常出现的常见主题，例如：

设计精密低功耗信号链，最大限度地延长电池寿命

在存在各种干扰源的情况下测量小信号

了解电极以及与干电极良好接触的困难

共模抑制比 （CMRR） 和右腿驱动 （RLD）

实施电极/导联脱落检测

第一个要点是需要强调的重要项目符号，不仅限于医疗保健可穿戴设备。环境监测、现场仪表（电磁流量、液位、压力和温度检测）、电化学气体检测和 pH 测量等应用都需要低功耗下的精度。那么，是什么让这具有挑战性呢？从更高电压的双极性电源到单 3.3V 或 1.8V 电源可大幅减少可用裕量，并限制可应用的增益。电池供电应用通常空间受限，因此PCB面积非常宝贵。此外，还必须考虑功率、噪声、带宽和测量采样速率之间的权衡。

低功耗设计需要系统级方法来真正优化电池寿命。幸运的是，ADI公司正在为完整的精密低功耗信号链提供建议、工具和支持，以协助实现这一目标。

为什么选择生物电势？

随着可以检测心房颤动（AFib）甚至睡眠呼吸暂停的产品的推出，基于健身的可穿戴设备和医疗保健技术之间的界限继续模糊。过去两年进一步强调了医疗级设备的需求和紧迫性，这些设备可以监测家中患者的健康状况，实现疾病的早期发现和预防，降低成本以及与医生远程沟通。生物电势测量可以进一步用于各种其他应用，例如增强现实（AR），虚拟现实（VR），验证用户身份，甚至控制假肢。无论何种应用，采集这些信号的挑战都是一样的，本系列旨在解决设计中的痛点。如果未涵盖某个主题，请随时在我们专用的EngineerZone页面上提出您的问题，用于精密低功耗信号链。

生物势概述

图 1 – 电极及其源感应的生物电势信号 [1]

生物电势是由体内各种细胞的电化学活动产生的电信号。当这些细胞受到刺激时，会产生动作电位。动作电位是在相邻细胞之间传递信息的一种方式，这些电位的积累可以产生通常测量的生物电位。图2显示了心脏内的电活动和可以用皮肤电极测量的更易识别的ECG生物电位信号。这个3D心脏动画更详细地解释了这一点。

图 2 – 心脏中特殊细胞的波形和相应的 ECG 信号 [2]

测量这些生物电势的困难在于存在其他不需要的干扰物。由于电极半电池电位和电极不匹配、缓慢移动的基线漂移、1/F噪声和运动伪影，直流至低频可能包含较大的偏移。请注意，这些信号不是共模，而是与生物电势信号串联出现。在较高频率下，需要担心的共模信号是来自交流电源的 50/60Hz。有时，其他生物电势甚至可能是干扰源，例如测量心电图时的肌电图或测量脑电图时的心电图。图3显示了这些生物电势和干扰源的重叠频率范围。

图 3 – 生物电势信号幅度、频率范围和干扰源示例

在下一篇博客中，我们将讨论如何设计信号链来测量生物电势，同时管理干扰源，包括交流和直流耦合解决方案。

审核编辑：郭婷