医疗：监测我们体内的声音
监测人体内的声音仍然是医生诊断的一个重要手段。早在19世纪，auscultatory(来自拉丁语auscultatus，意为“专心倾听”)技术首先应用于听诊器。现今的技术已经超越了麦克风类型的传感器，而发展到压电传感器。
今天的大多数电子听诊器都内置一组具有不同频率响应的可配置滤波器。这些滤波器可以更好地收听人体的各个区域，例如心脏(20Hz至400Hz范围)，关节、肠道，或肺部(100Hz至1200Hz范围)。大多数滤波器都被设计为具有可调截止频率的带通，经常采用降噪算法来减少干扰，诸如患者移动或环境噪声等。Maxim Integrated公司提供了一个很好的电子听诊器原理框图(见图1)。
数字听诊器的原理框图(图片由Maxim Integrated提供)
听诊器也可以由机械调节的隔膜来调节信号。
医疗：针对移动健康监测的无线ECG
参考文献2中提到的无线可穿戴设备能够通过非接触式容性电极来测量心电图(ECG)和呼吸率(RR)。良好的模拟前端设计是这种设计的关键架构元素，可进行信号调节并产生强劲、清洁的输出。主动电极嵌入到可穿戴背心，与受试者的胸部接触，参考电极直接放在受试者的皮肤上。参考电极将共模输入信号回传到受试者的皮肤，在这种架构中皮肤是系统的接地端。一旦通过电极获取了信号，就将其发送到差分分离滤波器(DSF)。DSF负责将差分信号分成两个主要信号分量：
1. 频率高于1 Hz的信号
2. 频率低于1 Hz的信号(此阶段对于分离ECG和RR信号分量至关重要)。
整个信号调节电路如图2所示。有关该电路及其中使用的增益和元件值的更多信息，请参见参考文献2。
图2：模拟前端框图(图片来自参考文献2)
现在，图2中的仪表放大器(IA)将开始提取ECG信号。高共模抑制比(CMRR)IA将抑制两个电极之间的共模信号，从而消除由于接触或AC干扰引起的感应噪声。德州仪器(原Burr-Brown器件)的INA121是具有高阻抗的FET输入器件，可放大微小的ECG信号。大部分系统增益将通过INA121获得，以便在调节电路的输入端最大化CMRR。
接下来，ECG信号的二阶有源低通滤波器(LPF)具有100Hz相对陡峭的截止频率，它被配置为Sallen-Key KRC架构。接下来是2级的非反相增益，然后是ADC前面必要的抗混叠滤波器。有关此AFE、呼吸率等类似信号调节的更多信息，以及差分分离滤波器，请参见参考文献2。
MEMS换能器的斩波放大器信号调节
使用MEMS器件的容性感应具有低功耗、良好的噪声性能和低温度系数等优点。在高分辨率灵敏度应用中，对于标称电容小于100 fF的MEMS换能器，所需的灵敏度可小于1 fF。这种换能器与传感电路集成在一起，因此需要低容性负载。信号调节是必要的，而且必须非常准确，噪音要低。这表明输入电容和噪声电压也要很低。在惯性传感器应用中，在接近DC的频率上需要高灵敏度。因此，斩波放大器可能是消除闪烁噪声和DC偏移的最佳选择。
与单个斩波放大器相比，双斩波放大器(DCA)具有更低的寄生电容和功耗。已经确知输入噪声和输入寄生电容都将影响灵敏度。
在这种设计中，有两个不同的放大器(A2)用两个不同的频率斩波以消除它们的闪烁噪声。此外，设计人员还在第一阶增加了一个低压、大电流放大器(A1)，这样将改善架构的功耗和本底噪声。
第二阶设计有两条平行路径，可提高SNR，并提供两种增益设置(图3)。
图3：参考文献5中提出的电路原理图，其中Rbias电阻是伪电阻，可达到更高的电阻值(图片来自参考文献5)
图3中的传感器输入级将支持电容和电压模式。在电容模式中，MEMS换能器CS连接到电容桥，该电容桥是斩波放大器电路的一部分。通过施加到电容桥中的一个电容的电容器组可以去除换能器偏移，以匹配标称传感器电容。
在电压模式下，电压模式混合器连接到引脚IN3和IN4，同时电压模式混合器被激活以切断电压信号。电容路径传输门将其断开，并禁用电容桥时钟。
图3示出了两个差分输入对的示意图，它们进入加法器并加到Gm-C低通滤波器上，该滤波器添加了来自两个路径的信号，并在信号被斩波到基带后消除了带外频率失真。电容Cf为15 pF。
在独特的信号调节环境中测量电阻
在这里，我们将介绍一种信号调节方法，通过电容耦合电极来测量绝缘管中水的电阻和电导率。由于电极与水是绝缘的，因此通过在水柱和电极之间形成的电容来测量。
该技术解决了传统的接触式导电测量方法引起的电极污染和极化问题。这里的主要挑战是：与被测水柱的电阻相比，耦合电容器的电抗很大。耦合电容也会随着时间的推移而变化，这也是一个挑战。
参考文献6说明了一种可以克服这些挑战的自动平衡信号调节方法，其中所提供的输出与被测电阻成正比，并且与耦合电容的值无关。
测量探针
测量探针带有两个圆形金属电极(激发电极和接收电极)，必须有介电涂层。当激励电极被激励时，电流将流到水中，并且被接收器电极收集。如果用于海水的电导率测量，图4中的整个探头将被海水包围，电极上的绝缘体将有助于避免电极与其周围的水直接接触。
图4：传感器探头：(a)电导率测量探头侧视图和(b)电导率测量探头横截面图。(图片来自参考文献6)
图4显示了激发电极和水柱之间存在的电介质。在电极和水的外表面之间形成电容Cx1。类似地，在接收器电极和水之间也形成电容，如图5中的Cx2。激励电极和接收器电极之间的水柱电阻在图中表示为Rx。目标是创建一个测量Rx的方法，同时不受Cx1和Cx2值的影响。
图5：传感器探头的电气等效电路表示(图片来自参考文献6)
自动平衡信号调节电路
在图6中，vin是一个正弦电压源，馈入由运算放大器OA1和OA2组成的两个电流-电压转换器电路。vin驱动两个电流-电压转换器，其中一个包含运算放大器OA1，其反馈路径由电容耦合导电测量探头组成。vin还驱动另一个由运算放大器OA2构成的电流-电压转换器，其反馈路径包括具有增益G的压控放大器(VCA)和标准电容Cs。这两个电流-电压转换器的输出连接到高通滤波器。这些高通滤波器的输出相加到由运算放大器OA3构成的反相加法器。
运算放大器OA3的输出馈送到相位检测电路(PDC)的输入端，这一PDC电路包括比较器OC1、OC2 、XOR门、SPDT开关，以及由运算放大器OA4组成的Sallen-Key二阶低通滤波器。PDC的参考输入是vin 到OC2。PDC的输出通过积分器控制VCA的增益G，该积分器由运放OA5、输入电阻R8和反馈电容C2组成。通过电容耦合测量探针的电流I01 = vin/R1A，其中vin = Vm Sin(ωt)。有关设计细节，请参见图6和参考文献6。
图6：用于电容耦合测量探头的自动平衡和信号调节电路图(图片来自参考文献6)
最新的行业器件和软件解决方案
意法半导体
意法半导体最近推出了TSB712A，这是一款新型精密运算放大器，在很宽的电压和温度范围内都具有非常稳定的参数性能。为了辅助传感器信号调节，该器件内置有输入滤波器，可确保在宽频率范围内达到很好的EMI抑制比(EMIRR)，从而提高在工业、汽车应用或靠近RF设备的系统等高噪声环境下的易感性。EMIRR显示出运算放大器的EMI抗扰能力。一个对许多运算放大器不利的影响是偏移电压的变化，这是由于RF信号整流而引起的，可以通过以下等式来定义：
EMIRR= 20log(Vin pp/ΔVio)
意法半导体还有一个eDesign Suite工具，可以使用意法半导体产品进行信号调节的仿真。
Linear Systems公司
有许多设计可以在信号调节中使用分立元件，如晶体管和FET等。看看这种将低电容JFET添加到运算放大器的简洁设计，可以降低输入电容并降低电路中的噪声(图7)。
添加到运算放大器电路的低电容JFET，可降低输入电容并减少噪声(图片来自参考文献4)
高阻抗输入、缓冲的A-D转换器可简化信号调节
ADI公司的LTC2358-18是一款18位、200 kHz、低噪声的A/D转换器，具有同步采样的缓冲8通道输入。为了协助MEMS和传感器输入的信号调节，其集成的皮安输入模拟缓冲器、宽输入共模范围和128 dB CMRR等特性有助于最大限度地减少对外部信号调节的需要，甚至在某些设计中根本不需要它。
介于输入和VCC/VEE电源之间的二极管可为ADC输入提供必要的ESD保护。这样就无需使用外部运放缓冲器了，这些缓冲器通常具有瞬态导通的二极管保护作用，但可能会破坏其输入端上任何滤波电容上的电压。
该ADC集成了单位增益缓冲器，其高输入阻抗大大降低了输入驱动要求，可让设计人员选择具有kΩ阻抗和任意的慢时间常数的RC滤波器，以实现抗混叠。具有有限驱动能力的微功率运放也非常适合直接驱动高阻抗模拟输入。
单端输入驱动器还增加了额外的外部串扰隔离功能，因为所有其他输入引脚都是要么接地，要么是低阻抗直流电源，并且用作通道之间的屏蔽。该ADC另一个不错的信号调节特性是能够在高达10mA的任何通道上驱动高于VCC的模拟输入信号，而不会影响其他通道的转换结果。
这种ADC真正的高阻抗模拟输入可以适应各种无源或有源信号调节滤波器。缓冲的ADC输入的模拟带宽为6 MHz，没有外部滤波器的特定带宽要求。外部输入滤波器可以独立于ADC进行优化，以降低信号链噪声和干扰。常见的滤波器配置是简单的抗混叠和降噪RC滤波器，其极点为采样频率的一半。例如，频率为100 kHz，R =2.43kΩ，C = 680 pF，如图8所示。
图8：过滤单端输入(图片由Analog Devices提供)
用于电化学和生物传感器的混合信号AFE和微控制器
我对用于MEMS和传感器信号调节的半导体方案的最后观察是ADI公司的ADuCM355。这是一款精密模拟微控制器，具有生物传感器和化学传感器接口，适用于工业气体传感、仪器仪表、生命体征监测，以及疾病管理等。
该方案是目前唯一可在单芯片上集成双电位器和电化学阻抗谱(EIS)功能的解决方案，而且还支持双恒电位仪和三个以上的传感器电极。
其他集成的信号调节功能包括：
• 电压、电流和阻抗测量功能
• 双超低功耗、低噪声恒电位仪：8.5 uA, 1.6 uV RMS
• 灵活的16位、400ksps测量通道
综上所述，可以看到有很多信号调节技术和选项可以提高设计的MEMS和传感器输入性能。将来会继续看到更多创新方法来增强信号调节能力。
参考文献：
1. A novel approach in auscultation technology—new sensors and algorithms, D. Grochala, M. Kajor, D. Kucharski, M. Iwaniec, E. Kantoch, AGH University of Science and Technology, IEEE 2018
2. Wireless Capacitive-Based ECG Sensing for Feature Extraction and Mobile Health Monitoring, Johan Wannenburg, Reza Malekian , and Gerhard P. Hancke, IEEE Sensors Journal, VOL. 18, NO. 14, JULY 15, 2018
3. Signal conditioning circuit with ultra-high sensitivity and ultra-low power consumption for MEMS, Parisa Vejdani, Anoir Bouchami, and Frederic Nabki, IEEE 2017
4. A Guide to Using FETS for Sensor Applications, Ron Quan, Linear Integrated Systems
5. Ultra-high sensitivity, low-power, dual chopper signal conditioning circuit for integrated sensors, P. Vejdani, K. Allidina, and F. Nabki, 14th IEEE NEWCAS Conference, 2016, pp. 1-4.
6. An auto-balancing signal conditioning scheme for non-contact measurement of conductivity of water, Tejaswini K. K., Boby George, Jagadeesh Kumar V., R. Srinivasan, and Tata Sudhakar, IEEE 2018
7. Buffered ADC Family Eliminates Signal Conditioning Complexity, Joe Sousa, Andrew Thomas, Clement Wagner, Mark Thoren, Linear Technology (now part of Analog Devices, Inc.)
8. Signal conditioning for electrochemical sensors, AN4348, ST Microelectronics
9. ADuCM355 data sheet, Precision Analog Microcontroller with Chemical Sensor Interface, Analog Devices
10. An Introduction to Electrochemical Impedance Spectroscopy, C.Reece, Jefferson Lab, 2015
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