ECG/EEG 24 位高精度 ADC 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

——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(duì)微伏級(jí)、低頻、強(qiáng)干擾環(huán)境中的生物電信號(hào)進(jìn)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(dòng)等功能集成在一顆芯片中，是目前醫(yī)療級(jí)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(jià)值，僅僅選對(duì)芯片還不夠，還需要：

根據(jù)ECG vs EEG的信號(hào)特性選擇合適型號(hào)；

理解 ADS129 系列不同型號(hào)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(hù)、濾波、電極接口、驅(qū)動(dòng)與導(dǎo)聯(lián)檢測(cè)等設(shè)計(jì)。

本文圍繞 ADS129 系列，整理 ECG/EEG 24 位高精度 ADC 硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并簡(jiǎn)要對(duì)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(hào)差異

ADS129 系列針對(duì)不同應(yīng)用有多個(gè)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(jí) ECG，1299 → 高精度 EEG / 研究級(jí)生物電。

下面以典型的 ADS1292 / 1298 / 1299 為例，對(duì)比關(guān)鍵參數(shù)（典型值）：

2.1 主要性能參數(shù)對(duì)比

參數(shù)ADS1292 / 1292R（2 通道，低功耗 ECG）ADS1298 / 1298R（8 通道，診斷級(jí) 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(cè)量）8 通道（1298R 支持呼吸測(cè)量）4 / 6 / 8 通道可選（ADS1299-x）

輸入?yún)⒖荚肼暎ǚ宸逯担?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, 121, 2, 3, 4, 6, 8, 121, 2, 4, 6, 8, 12, 24

數(shù)據(jù)輸出速率125 SPS – 8 kSPS250 SPS – 32 kSPS250 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(cè)）~90 dB~96 dB

模擬電源電壓 AVDD2.7–5.25 V2.7–5.25 V4.75–5.25 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(jí) ECG；

ADS1299 系列專為 EEG/高精度設(shè)計(jì)，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(jí)→ 對(duì) 50/60 Hz 工頻干擾有極強(qiáng)抑制能力；

PSRR：90–96 dB 級(jí)→ 對(duì)電源紋波亦有較強(qiáng)抑制；

輸入偏置電流：百 pA 級(jí)→ 輸入阻抗極高，有利于減少電極偏置對(duì) 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(hào)特征差異

ECG 心電信號(hào)：

幅度：約 0.5–3 mV；

典型帶寬：0.05–150 Hz；

對(duì)噪聲的要求：診斷級(jí)短路噪聲要求 ≤ 15 μVpp，監(jiān)護(hù)級(jí) ≤ 30 μVpp。

EEG 腦電信號(hào)：

幅度：常見僅幾十 μV（如 α 波約 20–100 μV），比 ECG 小 1–2 個(gè)數(shù)量級(jí)；

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(duì)輸入阻抗、偏置電流、噪聲更敏感。

因此：

ECG：對(duì)噪聲和動(dòng)態(tài)范圍有要求，但裕量較大；

EEG：信號(hào)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(hào)

1）噪聲與精度

診斷級(jí) 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(jí)要求，并留有安全余量。

EEG：

信號(hào)為幾十 μV，如果前端噪聲達(dá)到 4–8 μVpp，就會(huì)嚴(yán)重占耗動(dòng)態(tài)空間；

ADS1299 噪聲 ≈ 1 μVpp，明顯優(yōu)于 ADS1298，在 μV 級(jí)腦電上性價(jià)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(jí)，會(huì)顯著壓縮 SNR。

2）增益與動(dòng)態(tài)范圍

ECG 幅度較大，12× PGA 已夠用；

EEG 幅度極小，且疊加 mV 級(jí)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(cè)等高速事件。

EEG：常用采樣率 250–1 kSPS；研究級(jí)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(jì)算 + 呼吸測(cè)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(kuò)展，很適合構(gòu)建高通道 EEG 系統(tǒng)。

總結(jié)：

診斷級(jí)、多導(dǎo)聯(lián) ECG→ ADS1298/1298R；

可穿戴/低功耗 ECG→ ADS1292/1293 系列；

科研級(jí)、高通道 EEG→ ADS1299 多片級(jí)聯(lián)。

四、模擬前端（AFE）設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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(jì)。以下幾個(gè)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(jí)），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(duì)于：

干電極 EEG（接觸阻抗可到數(shù)百 kΩ–MΩ），或

超長(zhǎng)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(yùn)放：

目的：

提升等效輸入阻抗；

減少開關(guān)電容采樣瞬態(tài)對(duì)信號(hào)的影響；

隔離電極極化電壓。

代價(jià)：

引入運(yùn)放自身噪聲和失調(diào)；

設(shè)計(jì)難度與功耗上升。

設(shè)計(jì)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(yùn)放，并仔細(xì)評(píng)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(jiǎn)單的模擬 AAF 仍然必要，常用拓?fù)洌?/p>

每個(gè)差分輸入的正/負(fù)端各串一個(gè)電阻（如 5–10 kΩ），在各自對(duì)地（或?qū)材｜c(diǎn)）接一個(gè)小電容（如 2.2–4.7 nF）：

構(gòu)成一階低通（幾 kHz），遠(yuǎn)高于信號(hào)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(diǎn)：

差分兩端的 RC 必須匹配對(duì)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(jì)得太低，以免影響所需信號(hào)帶寬（特別是高頻 EEG/起搏檢測(cè)）。

4.3 輸入保護(hù)與除顫/ESD 防護(hù)

醫(yī)療電極接口必須優(yōu)先考慮安全與保護(hù)。

常見保護(hù)結(jié)構(gòu)：

電極 → 限流電阻（51–100 kΩ） → ADC 輸入；

ADC 輸入對(duì)地/對(duì)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(duì)場(chǎng)景：

除顫高壓；

手術(shù)電刀干擾；

ESD 沖擊。

同時(shí)，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(hào)后的基線恢復(fù)時(shí)間。

4.4 電極偏置與 RLD / 偏置驅(qū)動(dòng)

為了提升系統(tǒng) CMRR，ECG 系統(tǒng)通常使用驅(qū)動(dòng)右腿（RLD）電路，EEG 可以使用偏置電極驅(qū)動(dòng)：

ADS1298 / 1299 內(nèi)置 RLD/偏置放大器，可直接用來驅(qū)動(dòng)患者身體到 ADC 的共模中點(diǎn)；

典型設(shè)計(jì)：

將多路輸入的共模電壓求平均反饋；

RLD 輸出串一個(gè)電阻（如 100 kΩ）接到驅(qū)動(dòng)電極；

在運(yùn)放反饋中加入電容做補(bǔ)償（如 47–100 nF）以防振蕩。

正確設(shè)計(jì)的 RLD / 偏置驅(qū)動(dòng)可額外提升 20–40 dB CMRR，對(duì) 50/60 Hz 抑制非常有幫助。

4.5 導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)

ADS129 系列支持 DC / AC 導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)：

DC 檢測(cè)：

通過微小 DC 偏置或電流檢測(cè)電極阻抗變化；

實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但可能引入電極極化和慢漂移。

AC 檢測(cè)：

在不影響信號(hào)帶寬的高頻（如 kHz）注入小 AC 信號(hào)；

通過測(cè)量阻抗變化判斷脫落；

對(duì)高阻抗 EEG 電極更友好。

設(shè)計(jì)建議：

ECG：可優(yōu)先考慮 DC 檢測(cè)，結(jié)合較大的時(shí)間常數(shù)防止影響低頻基線；

EEG：更適合 AC 導(dǎo)聯(lián)檢測(cè)，避免干擾 μV 級(jí)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(diǎn)：

5 通道 ECG AFE，可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展導(dǎo)聯(lián)；

內(nèi)部使用 14 位 SAR ADC + 過采樣技術(shù)，ENOB 可達(dá) 18–19 位；

集成起搏檢測(cè)、呼吸阻抗測(cè)量等功能；

噪聲性能在 0.05–150 Hz 下約 6–10 μVpp 量級(jí)，功耗每通道數(shù) mW。

與 ADS129x 對(duì)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(diǎn)”的系統(tǒng)。

結(jié)論：

要高精度 + 低功耗 + 多通道可擴(kuò)展→ ADS129x 更有優(yōu)勢(shì)；

要集成算法 + 簡(jiǎn)化后端處理→ ADAS1000 有一定吸引力。

5.2 vs Maxim MAX3000x 系列（可穿戴 AFE）

以 MAX30001 為例：

目標(biāo)應(yīng)用：?jiǎn)瓮ǖ?少通道可穿戴 ECG + 生物阻抗（BioZ）；

ENOB 約 15.9 位，有效噪聲 ~3 μVpp；

CMPR、輸入阻抗等指標(biāo)接近 ADS129x；

最大優(yōu)勢(shì)在功耗：1.1 V 供電下每通道 ~85 μW，比 ADS1298 的 0.75 mW/通道低一個(gè)數(shù)量級(jí)；

集成 R-R 檢測(cè)、心率中斷輸出等算法，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)級(jí)低功耗與簡(jiǎn)化 MCU 工作量。

結(jié)論：

超低功耗、少通道、可穿戴 → MAX3000x 是很合適的 SoC 型 AFE；

多通道、高精度、診斷級(jí) ECG 或科研 EEG → ADS129 系列更方便擴(kuò)展且噪聲/功耗比更優(yōu)秀。

六、小結(jié)與設(shè)計(jì)建議

整體來看，TI ADS129 系列在“高分辨率 + 低噪聲 + 多通道 + 低功耗”的綜合平衡上具有明顯優(yōu)勢(shì)，是 ECG/EEG 醫(yī)療采集系統(tǒng)非常值得優(yōu)先考慮的一條路線。

設(shè)計(jì)時(shí)可以按下面的思路來選型和設(shè)計(jì)：

按應(yīng)用選芯片

診斷級(jí)、多導(dǎo)聯(lián) ECG：ADS1298 / 1298R；

可穿戴、低功耗心率/ECG：ADS1292 / 1293；

高通道數(shù)、科研級(jí) EEG：ADS1299 級(jí)聯(lián)。

按信號(hào)特性做 AFE

充分利用 ADS129 內(nèi)部 PGA、高輸入阻抗，優(yōu)先“直連電極”；

必要時(shí)為干電極 EEG 等增加 FET 輸入緩沖；

每通道配置對(duì)稱 RC AAF，既抑制高頻噪聲，又兼顧穩(wěn)定性與帶寬；

設(shè)計(jì)合理的輸入保護(hù)、除顫/ESD 防護(hù)電路；

善用 RLD/偏置驅(qū)動(dòng)提升 CMRR，正確設(shè)置導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)策略。

與其他廠商方案的搭配

對(duì)于診斷級(jí)多導(dǎo)聯(lián) / EEG：以 ADS129 系列為主；

對(duì)于極端低功耗單導(dǎo)/少導(dǎo)，可穿戴：可考慮 MAX3000x 等方案作為補(bǔ)充；

對(duì)于需要片上算法和特殊功能的傳統(tǒng)監(jiān)護(hù)設(shè)備：可評(píng)估 ADAS1000 等方案。

通過理解 ADS129 系列各型號(hào)的定位與設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并結(jié)合外圍 AFE 的精心設(shè)計(jì)，你可以在 ECG/EEG 系統(tǒng)中既滿足醫(yī)療規(guī)范，又在功耗、成本、通道數(shù)之間找到一個(gè)合理的工程平衡點(diǎn)。