AD8232 — как подключить усилитель ЭКГ?

Что это за прибор

Ключевая инженерная особенность — усиление и фильтр высокой частоты объединены в одной каскадной ступени. Это позволяет набрать усиление 100 и при этом убрать постоянную составляющую с электрода, не расходуя на это отдельный каскад усиления. Экономия в номиналах и в шуме здесь прямая: чем меньше каскадов, тем меньше собственные шумы и смещения.

Допуск полуэлектродного потенциала ±300 мВ — это то, сколько постоянного напряжения на коже прибор выдерживает без перегрузки. Электроды дают смещение в десятки милливольт на электролите и сотни милливольт на сухой коже, поэтому этот параметр определяет, насколько долго пациент может носить электроды до того, как сигнал уйдёт за пределы линейного диапазона. В приборе есть быстрое восстановление: после такого выброса он возвращается в режим примерно за 3 секунды.

Противоположный случай — обрыв или отсоединение электрода. Детектор отсоединения срабатывает по постоянной или переменной составляющей, и это выбирается переключателем на плате.

Выводы и что к чему подключается

Входы прибора — +IN и −IN, причём на входе −IN стоит встроенный резистор 150 кОм, который вместе с внешним конденсатором задаёт постоянную времени фильтра высокой частоты. Выводы HPSENSE и HPDRIVE позволяют включить этот фильтр либо обойти его — это нужно, когда сигнал уже отфильтрован или когда требуется быстрое восстановление.

Цепь правой ноги собрана на выводах RLD и RLDFB: это отдельный усилительный каскад, который через внешнюю цепь обратной связи возвращает в электроды сдвинутую копию сигнала и тем самым снимает синфазную составляющую. Её выходное сопротивление и компоненты цепи задают качество подавления, поэтому цепь считают по паспорту, а не «примерно как в любой схеме».

Для фильтра низкой частоты прибор оставляет свободный операционный усилитель на выводах OPAMP+ и OPAMP−. На нем собирают трёхполюсный фильтр с собственной частотой среза, и частота выбирается по полосе, нужной для записи. Это редкий случай, когда производитель сознательно оставляет незадействованный усилитель, — и здесь же проходит граница возможностей прибора: фильтр ниже определённой частоты на этой схеме уже не собрать.

Опорное напряжение формируется внутри: вывод REFOUT с буфером служит виртуальной землёй для выходного сигнала, а вывод REFIN позволяет задать смещение извне. Выход OPAMP rail-to-rail, то есть он упирается в пределы питания, и на однополярном питании 3,3 В рабочая область сигнала смещена вверх.

Остальные выводы: IAOUT — выход инструментального каскада до фильтра низкой частоты, OUT — итоговый выход, SW — тактовый вывод для цифровой части, SDN — отключение, выводы LOD+ и LOD− — контроль отсоединения электрода.

Что важно при разводке и заказе

Корпус LFCSP 20 выводов 4 × 4 мм — главная причина, по которой схему приходится перерисовывать. Выводы расположены с шагом 0,5 мм, а под площадкой находится теплоотводящая площадка, которую нужно паять и соединять с землёй. Заказать прибор в корпусе, рассчитанном под SSOP, нельзя: такой позиции у производителя нет, и плата под неё не разводилась.

Второе — питание. 2,0–3,5 В означает, что 3,3 В берётся, а 5 В подавать нельзя. Если схема питается от 5 В, перед прибором нужен преобразователь или стабилизатор, и об этом думают на этапе разводки, а не при закупке.

Третье — помехи. Внутри прибора есть фильтр радиочастотных помех, но он не заменяет разводку: длина проводов от электродов до входов должна быть минимальной, а проводники к выводам RLD и RLDFB — короткими. Эти два вывода чувствительны к наводке сильнее, чем остальная схема.

Отдельно про уровни входов: сигнал с электрода — единицы милливольт, и на входе прибора он должен приходить без делителя, который его погасит, а с ограничителем, который не даст выбросу полуэлектродного потенциала попасть на вход. Это часть обвязки, которую рассчитывают вместе с фильтрами, а не выбирают наугад.

Что делать, если нужны другие параметры

Другие корпуса и число каналов у того же производителя: AD8233 — два канала, AD8225 и AD8230 — усилители биопотенциала с другой архитектурой. Там, где каналов нужно два, AD8232 не подойдёт по определению, и это не вопрос настроек.

Если по каким-то причинам готовый фронтенд не подходит, альтернатива — собрать усилитель на дискретных операционных усилителях: инструментальный усилитель на трёх ОУ и отдельная цепь правой ноги. Схема сложнее и дороже, зато параметры выбираются свободно, включая усиление, которого в готовом приборе нет.

Отдельно стоит проверить, укладывается ли задача в требования по точности и полосе: прибор рассчитан на кардиографическую полосу, и если сигнал требуется снимать с более высоких частот или с более широким размахом, это другая архитектура.

Что проверять при заказе

1. 01 Корпус: LFCSP-20, 4 × 4 мм, с теплоотводящей площадкой — варианта в SSOP-24 не существует.
2. 02 Температурный класс: A для промышленного диапазона, W для автомобильного.
3. 03 Питание 2,0–3,5 В: значение 5 В на прибор подавать нельзя.
4. 04 Наличие цепи правой ноги и компонентов фильтра низкой частоты в BOM.
5. 05 Расчёт фильтра высокой частоты по встроенному резистору 150 кОм и внешнему конденсатору.
6. 06 Разводка входов и выводов RLD/RLDFB: короткие трассы, минимум площади под ними.

Частые вопросы

• Какое усиление у AD8232 — 100, в одной ступени вместе с фильтром высокой частоты.
• Какое питание — 2,0–3,5 В, однополярное; 5 В подавать нельзя.
• Сколько каналов — один, для двух нужен AD8233.
• В каком корпусе — LFCSP 20 выводов 4 × 4 мм, не SSOP-24.
• Что делает функция правой ноги — снимает синфазную составляющую с электродов.
• Зачем нужен свободный операционный усилитель — на нём собирают трёхполюсный фильтр низкой частоты.