拆解：用于健康監(jiān)護(hù)的TI ADS1298模擬前端

 健康護(hù)理設(shè)備的先進(jìn)性著實(shí)令人激動。護(hù)理設(shè)備設(shè)計的改進(jìn)能將生命體征監(jiān)護(hù)功能部署到運(yùn)動員和健身愛好者的手中，而更重要的是，新的病人監(jiān)護(hù)設(shè)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(hù)系統(tǒng)的便攜性仍非常有限，因?yàn)樗鼈凅w積和功耗都很大。因此臨床連續(xù)監(jiān)護(hù)只能用于危重病人，60%至70%的病人只能定期監(jiān)護(hù)。如果能夠?qū)崿F(xiàn)可負(fù)擔(dān)的低功耗便攜式監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，病人的安全性、監(jiān)護(hù)效果和舒適性都將得到顯著提高。這些屬性還能將這種設(shè)備系列擴(kuò)展使用到非醫(yī)院環(huán)境中的慢性病病人監(jiān)護(hù)。

來自TI公司的芯片在這類設(shè)備的演進(jìn)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(hù)、便攜式和高端心電圖(ECG)及腦電圖(EEG)設(shè)備。開發(fā)這種集成電路的工程師隊(duì)伍必須平衡一些極具挑戰(zhàn)性的設(shè)計目標(biāo)：每通道功耗小于750uW，噪聲符合IEC的ECG標(biāo)準(zhǔn)(10uVp-p輸入)，尺寸為8mmx8mm，以便支持便攜式和一次性ECG貼片應(yīng)用，以及低成本。

讓我們仔細(xì)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(yīng)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(shè)計，ADS1298集成了43個分立的IC功能，組合面積可達(dá)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(dú)立IC的功能。

因?yàn)檫@些應(yīng)用中的輸入信號非常微弱，所以設(shè)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(chǔ)上為ADS129x系列設(shè)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(diǎn)外，我們還發(fā)現(xiàn)電氣隔離也是設(shè)計和處理的重點(diǎn)。設(shè)計中廣泛使用了去耦電容，用于實(shí)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(shí)現(xiàn)完整的電氣隔離。

更深入了解

再深入一點(diǎn)，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(yīng)用于Sotera Wireless公司的ViSi移動病人監(jiān)護(hù)儀，這種監(jiān)護(hù)儀于2012年4月獲得了FDA的認(rèn)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(hù)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(xué)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(hù)腕模塊，用于單次膨脹或自動NIBP監(jiān)護(hù)

圖3：Sotera的ViSi移動系統(tǒng)充分發(fā)揮了ADS1298在腕載監(jiān)護(hù)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(hù)的好處帶給更多的病人。正在開發(fā)、還未得到FDA批準(zhǔn)的版本包括更多功能，比如無線連接。Sotera Wireless公司首席技術(shù)官Jim Moon強(qiáng)調(diào)了ADS129x系列器件在他們設(shè)備開發(fā)中的重要性：“用于病人監(jiān)護(hù)的TI ADS1298R模擬前端使ViSi移動病人監(jiān)護(hù)儀的實(shí)現(xiàn)成為可能。它所提供的體積減小和功耗降低是空前的。”

醫(yī)療電子設(shè)計領(lǐng)域與消費(fèi)電子共享許多工程技術(shù)挑戰(zhàn)，而且增加了很高可靠性的要求。像TI的ADS129x系列這樣的器件完全能夠應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，并且這個領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新非常值得期待。