拆解TI ADS1298前端器件

健康護理設備的先進性著實令人激動。護理設備設計的改進能將生命體征監(jiān)護功能部署到運動員和健身愛好者的手中，而更重要的是，新的病人監(jiān)護設備可以提高舒適性，改善住院效果。

直到最近，生命體征監(jiān)護系統(tǒng)的便攜性仍非常有限，因為它們體積和功耗都很大。因此臨床連續(xù)監(jiān)護只能用于危重病人，60%至70%的病人只能定期監(jiān)護。如果能夠?qū)崿F(xiàn)可負擔的低功耗便攜式監(jiān)護系統(tǒng)，病人的安全性、監(jiān)護效果和舒適性都將得到顯著提高。這些屬性還能將這種設備系列擴展使用到非醫(yī)院環(huán)境中的慢性病病人監(jiān)護。

來自TI公司的芯片在這類設備的演進中扮演著重要的角色。于2010年發(fā)布的ADS129x系列器件提供完整集成的模擬前端(AFE)功能，可用于病人監(jiān)護、便攜式和高端心電圖(ECG)及腦電圖(EEG)設備。開發(fā)這種集成電路的工程師隊伍必須平衡一些極具挑戰(zhàn)性的設計目標：每通道功耗小于750uW，噪聲符合IEC的ECG標準(10uVp-p輸入)，尺寸為8mmx8mm，以便支持便攜式和一次性ECG貼片應用，以及低成本。

讓我們仔細了解一下ADS129x系列器件的其中一員ADS1298，圖1就是該器件的裸片照片。ADS1298是針對ECG/EEG應用開發(fā)的一款8通道、24位集成模擬前端。采用8mmx8mm的BGA封裝，裸片尺寸為6mmx5.6mm。經(jīng)過工程師的精心版圖設計，ADS1298集成了43個分立的IC功能，組合面積可達1800mm2。

圖1：TI的8通道、24位集成式模擬前端器件ADS1298的平面圖。在這個8mmx8mm的裸片上集成了43個獨立IC的功能。

因為這些應用中的輸入信號非常微弱，所以設計時需要特別留意輸入阻抗。差分輸入信號將經(jīng)過EMI濾波模塊和低噪聲的斬波穩(wěn)定PGA消除1/f噪聲(也稱為閃爍噪聲)。TI工程師在delta sigma(差和)轉(zhuǎn)換器基礎上為ADS129x系列設計了一種新的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)內(nèi)核。這種ADC特別敏感，功耗比競爭產(chǎn)品低3倍。另外還使用1.2V帶隙電路提供高精度的參考電壓(Vref)信號。

除了版圖方面的亮點外，我們還發(fā)現(xiàn)電氣隔離也是設計和處理的重點。設計中廣泛使用了去耦電容，用于實現(xiàn)電路模塊間的電氣隔離，而且還有三重勢阱結(jié)構(gòu)實現(xiàn)完整的電氣隔離。再深入一點，圖2顯示了ADS1298 的SEM橫截面。從圖中可以看出，ADS1298使用了魯棒性、高良率的0.35um 4層鋁Bi-CMOS工藝。Bi-CMOS工藝和低噪聲雙極放大器成就了ADS1298的低功耗和低噪聲性能。

圖2：TI ADS1298芯片的SEM橫截面圖，圖中顯示使用了成熟的、高良率且可靠的4層鋁0.35um工藝。

ADS129x系列被應用于Sotera Wireless公司的ViSi移動病人監(jiān)護儀，這種監(jiān)護儀于2012年4月獲得了FDA的認證。Sotera Wireless公司的第一代系統(tǒng)是在醫(yī)院使用的連續(xù)生命體癥監(jiān)護系統(tǒng)。這種系統(tǒng)很小，可佩戴在手腕上，包括3個傳感器：

光學拇指傳感器，用于測量脈搏和SpO2

胸部傳感器，用于測量ECG/HR、呼吸和皮膚溫度

護腕模塊，用于單次膨脹或自動NIBP監(jiān)護

圖3：Sotera的ViSi移動系統(tǒng)充分發(fā)揮了ADS1298在腕載監(jiān)護儀中的小體積和更低功耗優(yōu)勢(圖片來源：Sotera Wireless)

小尺寸提高了病人的舒適性和便攜性。系統(tǒng)的低成本能將連續(xù)監(jiān)護的好處帶給更多的病人。正在開發(fā)、還未得到FDA批準的版本包括更多功能，比如無線連接。ADS129x系列器件在設備開發(fā)中的重要性：用于病人監(jiān)護的TI ADS1298R模擬前端使ViSi移動病人監(jiān)護儀的實現(xiàn)成為可能。它所提供的體積減小和功耗降低是空前的。

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