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ECG/EEG 24 位高精度 ADC 設(shè)計要點
ECG/EEG 24 位高精度 ADC 設(shè)計要點
——聚焦 TI ADS129 系列
一、引言
在心電（ECG）與腦電（EEG）系統(tǒng)中，前端模擬鏈路需要對微伏級、低頻、強干擾環(huán)境中的生物電信號進行高精度采集。TI 的 ADS129 系列將多通道 24 位 Δ-Σ ADC、可編程增益放大器（PGA）和偏置驅(qū)動等功能集成在一顆芯片中，是目前醫(yī)療級采集中非常典型的一條技術(shù)路線。
但要真正發(fā)揮 24 位 ADC 的價值，僅僅選對芯片還不夠，還需要：
根據(jù) ECG vs EEG 的信號特性選擇合適型號；
理解 ADS129 系列不同型號在噪聲、功耗、通道數(shù)上的取舍；
在模擬前端（AFE）中做好 輸入保護、濾波、電極接口、驅(qū)動與導(dǎo)聯(lián)檢測 等設(shè)計。
本文圍繞 ADS129 系列，整理 ECG/EEG 24 位高精度 ADC 硬件設(shè)計要點，并簡要對比 ADI / Maxim 同類方案，幫助你在工程中做出更有依據(jù)的取舍。
二、ADS129 系列關(guān)鍵參數(shù)與型號差異
ADS129 系列針對不同應(yīng)用有多個分支： 大致可以理解為：1291/1292/1293 → 低功耗/少通道 ECG， 1298 → 多通道診斷級 ECG， 1299 → 高精度 EEG / 研究級生物電。
下面以典型的 ADS1292 / 1298 / 1299 為例，對比關(guān)鍵參數(shù)（典型值）：
2.1 主要性能參數(shù)對比
參數(shù) ADS1292 / 1292R（2 通道，低功耗 ECG） ADS1298 / 1298R（8 通道，診斷級 ECG） ADS1299（4/6/8 通道，高精度 EEG）
輸入通道數(shù) 2 通道（1292R 支持呼吸測量） 8 通道（1298R 支持呼吸測量） 4 / 6 / 8 通道可選（ADS1299-x）
輸入?yún)⒖荚肼暎ǚ宸逯担?span style="white-space:pre"> ≈ 8 µVpp（0.05–150 Hz，增益 6） ≈ 4 µVpp（0.05–150 Hz，增益 6） ≈ 1 µVpp（0.05–70 Hz，高增益）
可編程增益 1, 2, 3, 4, 6, 8, 12 1, 2, 3, 4, 6, 8, 12 1, 2, 4, 6, 8, 12, 24
數(shù)據(jù)輸出速率 125 SPS – 8 kSPS 250 SPS – 32 kSPS 250 SPS – 16 kSPS
輸入偏置電流 ~200 pA ~200 pA ~300 pA
共模抑制比 CMRR（50/60 Hz） ~120 dB ~115 dB ~110 dB
電源抑制比 PSRR（50/60 Hz） 約 90 dB（推測） ~90 dB ~96 dB
模擬電源電壓 AVDD 2.7–5.25 V 2.7–5.25 V 4.75–5.25 V
每通道功耗（典型） ≈ 0.335 mW ≈ 0.75 mW ≈ 1 mW（5 V 供電下估算）
可以看出：
ADS1292 系列主打低功耗，功耗最低，但噪聲略高，更多用于可穿戴、便攜 ECG；
ADS1298 系列在 ECG 帶寬內(nèi)噪聲優(yōu)于 ADS1292，CMRR/PSRR 高，適合診斷級 ECG；
ADS1299 系列專為 EEG/高精度設(shè)計，在較窄帶寬（0.05–70 Hz）內(nèi)將噪聲壓到 ~1 µVpp，并提供更高 PGA 增益（最高 24 倍），但要求 5 V 模擬供電、功耗更高。
整體來看，ADS129 系列在：
CMRR：110–120 dB 級 → 對 50/60 Hz 工頻干擾有極強抑制能力；
PSRR：90–96 dB 級 → 對電源紋波亦有較強抑制；
輸入偏置電流：百 pA 級 → 輸入阻抗極高，有利于減少電極偏置對 DC 漂移的影響。
三、ECG vs EEG：應(yīng)用差異與芯片選擇 3.1 生理信號特征差異
ECG 心電信號：
幅度：約 0.5–3 mV；
典型帶寬：0.05–150 Hz；
對噪聲的要求：診斷級短路噪聲要求 ≤ 15 µVpp，監(jiān)護級 ≤ 30 µVpp。
EEG 腦電信號：
幅度：常見僅幾十 µV（如 α 波約 20–100 µV），比 ECG 小 1–2 個數(shù)量級；
帶寬：0.5–70 Hz（高頻 γ 波可到 ~100 Hz）；
電極阻抗更高（尤其干電極），對輸入阻抗、偏置電流、噪聲更敏感。
因此：
ECG：對噪聲和動態(tài)范圍有要求，但裕量較大；
EEG：信號極其微弱，要求極低噪聲、高增益，高輸入阻抗。
3.2 按應(yīng)用選擇 ADS129 型號
1）噪聲與精度
診斷級 ECG：
要求通道噪聲 ≤ 15 µVpp；
ADS1298 在 0.05–150 Hz 帶寬、增益 6 條件下噪聲約 4 µVpp，完全滿足診斷級要求，并留有安全余量。
EEG：
信號為幾十 µV，如果前端噪聲達到 4–8 µVpp，就會嚴重占耗動態(tài)空間；
ADS1299 噪聲 ≈ 1 µVpp，明顯優(yōu)于 ADS1298，在 μV 級腦電上性價比更高。
結(jié)論： ECG 優(yōu)先選 ADS1298/1298R 系列；EEG 應(yīng)優(yōu)先選 ADS1299 系列。 嘗試用 ADS1298 做 EEG“能用但不理想”，噪聲往往在數(shù) µVpp 級，會顯著壓縮 SNR。
2）增益與動態(tài)范圍
ECG 幅度較大，12× PGA 已夠用；
EEG 幅度極小，且疊加 mV 級共模干擾，需要：
更高增益（ADS1299 支持 24×）；
更高 AVDD（±2.5 V 雙極等效）提供足夠頭房，避免偏置或偽跡導(dǎo)致飽和。
3）采樣率需求
ECG：0.05–150 Hz 為主，500 SPS–1 kSPS 即可滿足多種診斷算法；
ADS1298 支持最高 32 kSPS，主要用于起搏脈沖檢測等高速事件。
EEG：常用采樣率 250–1 kSPS；研究級可能上到 2–16 kSPS；
ADS1299 最高 16 kSPS，覆蓋 EEG 絕大多數(shù)需求。
4）通道數(shù)與集成功能
ECG：臨床 12 導(dǎo)聯(lián)通常用 8 通道 ADC + 導(dǎo)聯(lián)合成；
ADS1298：8 通道 + RLD/導(dǎo)聯(lián)計算 + 呼吸測量（1298R）。
可穿戴 ECG：可以用 ADS1291/1292/1293 等少通道低功耗版本。
EEG：往往需要 8–32 通道甚至更多；
ADS1299：8 通道 + 菊鏈擴展，很適合構(gòu)建高通道 EEG 系統(tǒng)。
總結(jié)：
診斷級、多導(dǎo)聯(lián) ECG → ADS1298/1298R；
可穿戴/低功耗 ECG → ADS1292/1293 系列；
科研級、高通道 EEG → ADS1299 多片級聯(lián)。
四、模擬前端（AFE）設(shè)計要點
芯片只是“內(nèi)核”，真正決定系統(tǒng)表現(xiàn)的，是外圍 AFE 的整體設(shè)計。以下幾個方面尤為關(guān)鍵。
4.1 輸入緩沖與高阻抗接口
ADS129 系列內(nèi)部 PGA 輸入阻抗已經(jīng)很高（偏置電流百 pA 級），一般可以直接接電極，無需額外前置放大器，有利于降低噪聲源。
但對于：
干電極 EEG（接觸阻抗可到數(shù)百 kΩ–MΩ），或
超長導(dǎo)線與特殊電極結(jié)構(gòu) 可考慮添加一層 FET 輸入、高阻抗緩沖運放：
目的：
提升等效輸入阻抗；
減少開關(guān)電容采樣瞬態(tài)對信號的影響；
隔離電極極化電壓。
代價：
引入運放自身噪聲和失調(diào)；
設(shè)計難度與功耗上升。
設(shè)計建議： 能不加緩沖就不加，一旦需要，必須選低噪聲、低失調(diào)、高 GBW 的 FET 輸入運放，并仔細評估噪聲預(yù)算。
4.2 抗混疊濾波器（AAF）
雖然 ADS129 內(nèi)部有數(shù)字 Δ-Σ 濾波器，但簡單的模擬 AAF 仍然必要，常用拓撲：
每個差分輸入的正/負端各串一個電阻（如 5–10 kΩ），在各自對地（或?qū)材｜c）接一個小電容（如 2.2–4.7 nF）：
構(gòu)成一階低通（幾 kHz），遠高于信號帶寬；
有效衰減射頻干擾和高頻雜波；
為內(nèi)部開關(guān)電容采樣網(wǎng)絡(luò)提供阻尼，提高采樣穩(wěn)定性。
關(guān)鍵點：
差分兩端的 RC 必須匹配對稱，否則共模相移不一致，導(dǎo)致 CMRR 降低；
不要把截止頻率設(shè)計得太低，以免影響所需信號帶寬（特別是高頻 EEG/起搏檢測）。
4.3 輸入保護與除顫/ESD 防護
醫(yī)療電極接口必須優(yōu)先考慮安全與保護。
常見保護結(jié)構(gòu)：
電極 → 限流電阻（51–100 kΩ） → ADC 輸入；
ADC 輸入對地/對電源軌放置 TVS 或高速箝位二極管；
電極之間配置背靠背二極管限制差模電壓；
應(yīng)對場景：
除顫高壓；
手術(shù)電刀干擾；
ESD 沖擊。
同時，可以在輸入端并聯(lián)高值泄放電阻（幾十～幾百 MΩ），幫助釋放電極極化電荷，減少大信號后的基線恢復(fù)時間。
4.4 電極偏置與 RLD / 偏置驅(qū)動
為了提升系統(tǒng) CMRR，ECG 系統(tǒng)通常使用驅(qū)動右腿（RLD）電路，EEG 可以使用偏置電極驅(qū)動：
ADS1298 / 1299 內(nèi)置 RLD/偏置放大器，可直接用來驅(qū)動患者身體到 ADC 的共模中點；
典型設(shè)計：
將多路輸入的共模電壓求平均反饋；
RLD 輸出串一個電阻（如 100 kΩ）接到驅(qū)動電極；
在運放反饋中加入電容做補償（如 47–100 nF）以防振蕩。
正確設(shè)計的 RLD / 偏置驅(qū)動可額外提升 20–40 dB CMRR，對 50/60 Hz 抑制非常有幫助。
4.5 導(dǎo)聯(lián)脫落檢測
ADS129 系列支持 DC / AC 導(dǎo)聯(lián)脫落檢測：
DC 檢測：
通過微小 DC 偏置或電流檢測電極阻抗變化；
實現(xiàn)簡單，但可能引入電極極化和慢漂移。
AC 檢測：
在不影響信號帶寬的高頻（如 kHz）注入小 AC 信號；
通過測量阻抗變化判斷脫落；
對高阻抗 EEG 電極更友好。
設(shè)計建議：
ECG：可優(yōu)先考慮 DC 檢測，結(jié)合較大的時間常數(shù)防止影響低頻基線；
EEG：更適合 AC 導(dǎo)聯(lián)檢測，避免干擾 μV 級腦電直流/低頻成分。
五、與 ADI / Maxim 同類方案的比較 5.1 vs ADI ADAS1000 系列（ECG AFE）
ADAS1000 特點：
5 通道 ECG AFE，可級聯(lián)擴展導(dǎo)聯(lián)；
內(nèi)部使用 14 位 SAR ADC + 過采樣技術(shù)，ENOB 可達 18–19 位；
集成起搏檢測、呼吸阻抗測量等功能；
噪聲性能在 0.05–150 Hz 下約 6–10 µVpp 量級，功耗每通道數(shù) mW。
與 ADS129x 對比：
分辨率：ADAS1000 “14 位 + 過采樣” vs ADS129x 原生 24 位 Δ-Σ；
噪聲：ADAS1000 噪聲明顯高于 ADS1298（同帶寬下 ADS1298 ≈ 4 µVpp）；
功耗：ADAS1000 每通道功耗約為 ADS1298 的數(shù)倍；
但 ADAS1000 內(nèi)置更多算法和處理能力，適合想在芯片端“少算一點”的系統(tǒng)。
