在这种小型设备上增加多种检测功能存在着寻衅，由于其须要更小的形状尺寸、更低的功耗以及性能显著改进的多参数功能。但是，现在可以通过单一仿照前端(AFE)办理方案来应对这些寻衅。这种新型AFE可以用作多参数生命体征监测中央，支持同步丈量。它具有低噪声、高信噪比(SNR)、小尺寸和低功耗等特性，可以显著改进医疗设备，尤其是可穿着技能。对付年夜夫、患者和消费者而言，它使得生命体征监测比以前更随意马虎，并供应更高的性能、更长的电池寿命和更高的精度，且不会有多种设备造成的烦扰和不适感。本文谈论该单一仿照前端办理方案的一些打破性功能和特性。
新型仿照前端概述ADPD4100/ADPD4101 是一种多模式传感器AFE，具有8个仿照输入，支持多达12个可编程时隙。这12个时隙支持在一个采样周期内进行12个独立丈量。8个仿照输入复用成一个通道或两个独立通道，能够以单端或差分配置同时对两个传感器进行采样。8个LED驱动器可同时驱动多达4个LED。这些LED驱动器是电流接管器，与LED电源电压和LED类型无关。该芯片具有两个脉冲电压源用于电压勉励。新型AFE的旗子暗记路径包括跨阻放大器(TIA)、带通滤波器(BPF)、积分器(INT)和模数转换器(ADC)级。数字模块供应多种事情模式、可编程时序、通用输入/输出(GPIO)掌握、模块均匀以及可选的二阶至四阶级联积分梳状(CIC)滤波器。数据直接从数据寄存器中读取，或通过前辈先出(FIFO)方法读取。
这款新AFE有两个版本。一个具有I2C通信接口，另一个具有SPI端口。ADPD4100/ADPD4101的上风之一与光学丈量有关。它出色的自动环境光抑制能力得益于在结合BPF的同步调制方案中利用可短至1 µs的脉冲，从而无需外部掌握环路、直流电流减除或数字算法。利用高于1的抽取系数来提高输出SNR。它有一个子采样特性，许可选定时隙以比编程采样速率低的采样速率运行，从而节省功耗（功耗与采样速率成比例）。它还有一个TIA上限检测特性，当TIA输入超出范例事情限值时，它会利用TIA输出引脚上的电压比较器来设置中断位。
ADPD4100/ADPD4101是可穿着康健和健身设备中各种电气和光学传感器的空想枢纽，适用于心率和心率变异性(HRV)监测、血压估计、压力和就寝跟踪以及SpO2丈量。这种新型多参数VSM AFE的多种事情模式可以容纳医疗康健运用中的不同传感器丈量，包括但不限于光电容积脉搏波描记(PPG)、心电图(ECG)、皮肤电活动(EDA)、身体身分、呼吸、温度和环境光丈量。
PPG丈量PPG丈量可检测与每个心动周期干系的组织微血管床的血容量变革。光的总接管与心脏紧缩和舒张事宜引起的血容量变革干系联，产生PPG旗子暗记。PPG丈量按如下办法进行：将LED光脉冲射入人体组织，然后用光电二极管网络反射/透射的光，并将光转换为光电流。ADPD4100/ADPD4101处理和丈量光电流，并产生数字PPG旗子暗记。针对不同的PPG丈量情形，无需对硬件连接进行任何变动便可灵巧地将该AFE配置为四种事情模式之一：连续连接模式、多次积分模式、浮空模式和数字积分模式。
图1.范例PPG电路。
连续连接模式连续连接模式是PPG丈量的范例模式。它供应最佳的环境光抑制性能和高SNR。该模式在低至5 nA/mA至10 nA/mA的电荷传输比（CTR，光电流与LED电流之比）下能够很好地事情，并供应95 dB至100 dB的DC SNR。这些性能水平可以通过增加抽取系数来提高。该模式利用完全的仿照旗子暗记路径，即TIA + BPF + INT + ADC。每次ADC转换时，传入的电荷积分一次。在单个勉励事宜（如PPG）中，当对来自传感器相应的电荷进行积分时，积分器的大部分动态范围会被利用。在预调理周期之后，TIA连续连接到输入，故输入旗子暗记未被调制。为了降落噪声，光电二极管的阳极被预调理到TIA的基准电压(TIA_VREF)。常日将TIA_VREF设置为1.27 V，以得到TIA的最大动态范围。光电二极管的阴极连接到阴极电压源(VCx)引脚，常日将该器件设置为向光电二极管阴极供应TIA_VREF + 215 mV的电压，以在光电二极管上产生215 mV的反向偏置。这会减少旗子暗记路径噪声和光电二极管电容。在这种模式下，范例LED脉冲宽度为2μs。短LED脉冲可供应最佳环境光抑制性能。利用多个LED脉冲时，脉冲数每增加一倍，SNR便提高3 dB。由于斩波能肃清积分器的低频噪声身分，因此常日使能积分器斩波以得到最高SNR。选择的TIA增益越高，折合到输入真个噪声越低，但TIA的动态范围会减小。TIA的动态范围打算如下：动态范围 = (TIA_VREF)/(TIA增益)。为了提高ADC饱和电平，可以减小TIA增益，或者增加积分器电阻。选择较高的积分器电阻可降落噪声，但选择较低的积分器电阻会增加环境光裕量。
多次积分模式多次积分模式与连续连接模式大致相同，不同之处在于，每次ADC转换要对传入的电荷积分多次。此模式可用在弱光情形下得到高SNR，由于对付每个勉励事宜，它只利用少量（有时小于50%）动态范围。由于在ADC转换之提高行多次积分，因此它可以利用更大的积分器动态范围。每次ADC转换的积分次数增加一倍，SNR就会提高3 dB，这与脉冲数更加的效果一样。此模式常日用于小输入，因此可选择最高TIA增益。此模式用在CTR低于5 nA/mA且须要良好环境光抑制的情形下。
浮空模式浮空模式也用于弱光条件下以得到高SNR。浮空模式支持在光电二极管上进行无噪声电荷累积。光电二极管与AFE断开连接（故称之为"浮空"），以无噪声办法积累光致电荷。然后，AFE连回光电二极管，光电二极管上的电荷涌入AFE，积分以一种许可每个脉冲处理最大量电荷的办法进行，而旗子暗记路径增加的噪声量极小。由于是短调制脉冲，电荷转存会快速发生。因此，旗子暗记路径引起的噪声增加较小。其余，可以增加浮空韶光以得到更高的旗子暗记电平，但光电二极管电容可以积累的电荷量是有限的。在这种模式下，带通滤波器(BPF)被旁路，由于当通过调制TIA连接来转移光电二极管中的电荷时，所产生旗子暗记的形状可能会因器件和条件而异。为了可靠地将旗子暗记与积分序列对齐，必须旁路BPF。此模式不能供应良好的环境光抑制性能，并且受光电二极管电容限定，但在非常低的光照条件下，它能供应高功耗效率且噪声较小的丈量。
弱光条件下的浮空模式与多次积分模式选择在CTR < 5 nA/mA的弱光条件下，范例事情模式是浮空模式。与多次积分模式比较，浮空模式下噪声更低，由于多次积分模式须要更多积分周期，导致TIA和积分器的噪声贡献更大。由于BPF关断且丈量韶光更短，浮空模式的功耗效率也比多次积分模式要高。因此，浮空模式下每瓦SNR效率明显更高。
在PPG丈量中，当光电二极管有泄露或存在大量环境光时，首选多次积分模式。泄露严重的光电二极管不能用于浮空模式，由于在快速电荷转移发生之前，电荷会泄露，而不是累积起来。如果环境光很强，浮空模式是不宜的，由于环境光将主导光电二极管上可存储的电荷量。由于利用BPF和短LED脉冲，多次积分固有地供应出色的环境光抑制性能。
数字积分模式上面提到的所有模式都利用积分器来对传入的电荷进行积分。通过数字积分模式也可以对ADC样本进行数字积分。为了实现数字积分，积分器被转变为缓冲器。数字积分模式在两个区域中事情。在亮区，LED发送脉冲，而在暗区，LED熄灭。ADC样本以1 µs的间隔在亮区和暗区采集，并进行数字积分。从亮样本中减去暗样本的积分来打算旗子暗记。此模式可以支持较长的LED脉冲。因此，这是光电二极管相应韶光较慢且须要较长脉冲的运用的范例事情模式。BPF被旁路并关断。数字积分模式可供应最佳的功率效率，并且可实现最高的SNR水平。然而，由于利用较长LED脉冲且旁路BPF，其环境光抑制性能不如连续连接模式。数字积分模式不支持在同一时隙中对两个通道同时采样。数字积分模式支持100+ dB DC SNR。
数字积分模式的利害如前所述，针对PPG丈量的范例事情模式是连续连接模式，由于它在CTR大于5 nA/mA的条件下可供应高SNR和出色的环境光抑制性能。但是，数字积分模式可实现最高SNR水平，并供应最优的每瓦SNR效率。因此，如果环境光对运用而言不是问题，并且目标DC SNR高于85 dB，那么可以选择数字积分模式来有效地实现高SNR。如果目标DC SNR低于85 dB，则与连续连接模式比较，数字积分模式所节省的功率并不明显。
总而言之，如果光电二极管由于相应韶光较慢而须要较长脉冲，或者不须要在一个时隙内同时对两个通道采样，那么可以选择数字积分模式。
此外，如果环境光不是问题，并且目标DC SNR高于85 dB，那么选择数字积分模式将能实现高功耗效率。
PPG运用鉴于COVID-19大盛行，PPG运用在生命体征监测和康健诊断中变得更加主要。此外，多指标对付检测至关主要。例如，一些主要的生命体征丈量包括心率监测(HRM)、HRV和血氧饱和度（SpO2，可通过脉搏血氧仪和血压进行丈量）。
光学和无创SpO2监测（也称为脉搏血氧测定）在COVID-19患者的缺氧检测中已变得非常有代价。缺氧指身体组织缺少氧供应，是COVID-19的紧张症状之一。缺氧也可能引起心律加快。因此，光学和无创心率监测对付检测也很关键。
对付将来的可穿着设备，多种丈量功能的集成是最佳的（虽然不一定有必要），ADPD4100/ADPD4101对此极为有利。该AFE可丈量任何类型的传感器输入（包括温度、ECG和呼吸丈量）。因此，仅利用一个传感器AFE就能建立完全的多参数VSM平台。
脉搏血氧测定—SpO2丈量脉搏血氧测定利用红光（常日为660 nm波长）和红外(IR) LED（常日为940 nm波长）。脱氧血红蛋白紧张接管660 nm波长的光，而氧合血红蛋白紧张接管940 nm波长的光。光电二极管感知未被接管的光，然后将感知到的旗子暗记分为直流分量和互换分量。直流分量代表组织、静脉血和非搏动性动脉血引起的光接管。互换分量代表搏动性动脉血。然后按照下式打算SpO2的百分比：
%SpO2 = (ACred/DCred)/(ACIR/DCIR)
可将ADPD4100/ADPD4101的任意两个时隙配置为丈量对红光和IR LED的相应，从而丈量SpO2。别的时隙可以配置为丈量来自不同波长LED的PPG，并且还可以支持ECG丈量、导联脱落检测、呼吸丈量及其他传感器丈量。
模式
范例设置
注释
连续连接模式
SAMPLE_TYPE=0 MOD_TYPE=0 NUM_INT=1 NUM_REPEAT≥1
PPG丈量的范例模式最佳环境光抑制供应低噪声、低功耗性能通过积分器斩波和抽取可实现95+ dB DC SNR须要得当的CTR (>5 nA/mA)适宜不需考虑环境光的运用与多次积分模式比较，噪声和功耗更低
数字积分模式
SAMPLE_TYPE=1|2 MOD_TYPE=0 NUM_INT≥1 NUM_REPEAT≥1
供应最佳功率效率，85+ dB DC SNR由于利用较长LED脉冲，可以供应最高的DC SNR (100+ dB)适宜不需考虑环境光的运用适宜传感器由于相应韶光慢而无法处理短脉冲的运用无法支持同时采样两个通道/源
浮空模式
SAMPLE_TYPE=0 MOD_TYPE=1 NUM_INT=1 NUM_REPEAT≥1
在弱光条件下有效(CTR <5 nA/mA)当连续连接模式无法供应50%的满量程时利用
多次积分模式
SAMPLE_TYPE=0 MOD_TYPE=0 NUM_INT>1 NUM_REPEAT≥1
当连续连接模式无法供应50%的满量程时利用适宜须要高环境光抑制性能的运用
作为例子，图2显示了同步的红光、绿光和IR PPG旗子暗记，以及IR旗子暗记的互换和直流部分。
图2.红光、绿光和IR PPG，标有IR PPG旗子暗记的互换和直流部分。
心率监测心率监测对付检测COVID-19同样至关主要。由于缺氧导致氧气供应低落，心脏开始加快跳动，以为组织供应足够的氧气。心率监测在检测心脏问题或跟踪健身行为方面也很有代价。
心率监测一样平常首选波长约为540 nm的绿光LED。它的调制指数高于红光或IR LED，因而能产生最佳PPG旗子暗记。它还供应不错的CTR水平，因此功耗不会太高。
AC SNR是一个关系旗子暗记质量的参数，可以通过DC SNR乘以调制指数来打算。例如，调制指数为1%时，95 dB DC SNR相称于55 dB AC SNR。
ECG丈量ECG丈量已纳入可穿着设备中，例如用于抽检的腕表和用于连续监测的胸贴。此类设备常日利用由金属和其他导电材料制成的电极，这些电极属于极化电极，被称为干电极。利用干电极进行ECG丈量的紧张寻衅是电极-皮肤打仗阻抗很高且过电势相对较高。
基于常规仪表放大器的ECG办理方案利用缓冲器来减轻与旗子暗记衰减干系的高电极-皮肤打仗阻抗影响。右腿驱动(RLD)技能须要第三电极并将基准电压驱动回人体，在丈量电压的ECG系统中，该技能的浸染是抑制人体、电极和电缆所暴露所致的共模电压。
当运用于ECG丈量时，ADPD4100/ADPD4101采取一种新颖的方法，即利用无源电阻电容(RC)电路来跟踪一对电极上的差分电压。无源RC电路可以大略到只有三个元件，即两个电阻RS和一个电容CS，如图3a所示。对ECG数据的每次采样过程分为两步。
在充电步骤中，两个输入引脚（IN7和IN8）浮空。如果充电韶光>3τ，则电容CS上的电荷与两个电极上的差分电压成正比，个中τ为RS和CS定义的韶光常数，τ=2RSCS。在电荷转移步骤中，电容连接到TIA，电荷转移到AFE进行丈量。这种基于电荷丈量的ECG办理方案具有多个上风，包括：无需缓冲器和RLD的第三电极，系统尺寸因外部元件减少而缩小，以及节省功耗。
图3.ECG丈量配置。(a) RC采样电路和导联脱落检测电路。(b) 每个ECG数据样本的充电和电荷转移过程解释。
借助ADPD4100/ADPD4101的设计灵巧性，利用基于生物阻抗的方法可以方便地将导联脱落检测添加到该ECG办理方案中。图3a显示了导联脱落检测电路，它将脉冲驱动到一个电极，并在另一电极吸收电流。如果一个或两个电极从皮肤上脱落，则路径断开，吸收不到电流。图4显示了ECG迹线和导联脱落检测的吸收电流，个中ECG在时隙A中丈量，导联脱落检测在时隙B中进行。
常规ECG办理方案中的导联脱落检测利用上拉电阻电路，会影响ECG电路的输入阻抗；比较之下，这种基于生物阻抗的在单独时隙中进行的导联脱落检测不会对ECG丈量产生影响。利用此直流耦合电路，一旦电极与皮肤的打仗重新建立，便会捕获到ECG旗子暗记。
图4.ECG丈量和导联脱落检测。通过直流耦合即时规复ECG。
基于阻抗的呼吸丈量利用ADPD4100/ADPD4101进行呼吸丈量时，检测的是吸气和呼气周期中肺的生物阻抗变革。在重症监护病房(ICU)中，以及在就寝期间，对患者进行呼吸丈量有利于患者管理，而且能及时报警以挽救生命。这对有呼吸系统疾病和就寝呼吸中止症的患者至关主要。仅仅就寝呼吸中止症便是一个严重的公共康健和安全威胁，在美国有超过2500万成年人罹患此症。1
当患者呼吸时，肺的容积会膨胀和紧缩，导致胸部阻抗发生变革。通过将电流注入胸部路径并丈量压降，可以丈量该阻抗变革。图5a显示了一个参考设计，采取两个电极进行ECG丈量和呼吸监测。图5b显示了同步记录的ECG、呼吸干系阻抗波和PPG。ECG和呼吸利用旁边手腕上的不锈钢干电极丈量，PPG利用绿光LED丈量。
图5.ECG和呼吸丈量。(a) 采取开尔文检测方法进行就寝浮空ECG和呼吸丈量的外部电路。(b) ECG、呼吸和PPG同步丈量示例。
总结生命体征监测以智能可穿着设备的形式扩大了其在消费市场中的存在。可穿着设备产生的康健信息对康健和疾病管理可以发挥主要浸染。为了知足需求并使这些设备可供更广泛的人群利用，设计职员必须考虑本钱、尺寸和功耗等常见需求。ADI公司的这款打破性AFE ADPD4100/ADPD4101展示了其作为多参数生命体征监测中枢的巨大上风。单个AFE设计可减少多参数VSM系统的IC数量，从而大大缩减本钱和尺寸。此外，采取ADPD4100/ADPD4101设计的多参数系统可以天生同步数据，肃清了数据同步的包袱。
