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ECG/EEG 24 位高精度 ADC 设计要点
ECG/EEG 24 位高精度 ADC 设计要点
——聚焦 TI ADS129 系列
一、引言
在心电（ECG）与脑电（EEG）系统中，前端模拟链路需要对微伏级、低频、强干扰环境中的生物电信号进行高精度采集。TI 的 ADS129 系列将多通道 24 位 Δ-Σ ADC、可编程增益放大器（PGA）和偏置驱动等功能集成在一颗芯片中，是目前医疗级采集中非常典型的一条技术路线。
但要真正发挥 24 位 ADC 的价值，仅仅选对芯片还不够，还需要：
根据 ECG vs EEG 的信号特性选择合适型号；
理解 ADS129 系列不同型号在噪声、功耗、通道数上的取舍；
在模拟前端（AFE）中做好 输入保护、滤波、电极接口、驱动与导联检测 等设计。
本文围绕 ADS129 系列，整理 ECG/EEG 24 位高精度 ADC 硬件设计要点，并简要对比 ADI / Maxim 同类方案，帮助你在工程中做出更有依据的取舍。
二、ADS129 系列关键参数与型号差异
ADS129 系列针对不同应用有多个分支： 大致可以理解为：1291/1292/1293 → 低功耗/少通道 ECG， 1298 → 多通道诊断级 ECG， 1299 → 高精度 EEG / 研究级生物电。
下面以典型的 ADS1292 / 1298 / 1299 为例，对比关键参数（典型值）：
2.1 主要性能参数对比
参数 ADS1292 / 1292R（2 通道，低功耗 ECG） ADS1298 / 1298R（8 通道，诊断级 ECG） ADS1299（4/6/8 通道，高精度 EEG）
输入通道数 2 通道（1292R 支持呼吸测量） 8 通道（1298R 支持呼吸测量） 4 / 6 / 8 通道可选（ADS1299-x）
输入参考噪声（峰峰值） ≈ 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）
可编程增益 1, 2, 3, 4, 6, 8, 12 1, 2, 3, 4, 6, 8, 12 1, 2, 4, 6, 8, 12, 24
数据输出速率 125 SPS – 8 kSPS 250 SPS – 32 kSPS 250 SPS – 16 kSPS
输入偏置电流 ~200 pA ~200 pA ~300 pA
共模抑制比 CMRR（50/60 Hz） ~120 dB ~115 dB ~110 dB
电源抑制比 PSRR（50/60 Hz） 约 90 dB（推测） ~90 dB ~96 dB
模拟电源电压 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 供电下估算）
可以看出：
ADS1292 系列主打低功耗，功耗最低，但噪声略高，更多用于可穿戴、便携 ECG；
ADS1298 系列在 ECG 带宽内噪声优于 ADS1292，CMRR/PSRR 高，适合诊断级 ECG；
ADS1299 系列专为 EEG/高精度设计，在较窄带宽（0.05–70 Hz）内将噪声压到 ~1 µVpp，并提供更高 PGA 增益（最高 24 倍），但要求 5 V 模拟供电、功耗更高。
整体来看，ADS129 系列在：
CMRR：110–120 dB 级 → 对 50/60 Hz 工频干扰有极强抑制能力；
PSRR：90–96 dB 级 → 对电源纹波亦有较强抑制；
输入偏置电流：百 pA 级 → 输入阻抗极高，有利于减少电极偏置对 DC 漂移的影响。
三、ECG vs EEG：应用差异与芯片选择 3.1 生理信号特征差异
ECG 心电信号：
幅度：约 0.5–3 mV；
典型带宽：0.05–150 Hz；
对噪声的要求：诊断级短路噪声要求 ≤ 15 µVpp，监护级 ≤ 30 µVpp。
EEG 脑电信号：
幅度：常见仅几十 µV（如 α 波约 20–100 µV），比 ECG 小 1–2 个数量级；
带宽：0.5–70 Hz（高频 γ 波可到 ~100 Hz）；
电极阻抗更高（尤其干电极），对输入阻抗、偏置电流、噪声更敏感。
因此：
ECG：对噪声和动态范围有要求，但裕量较大；
EEG：信号极其微弱，要求极低噪声、高增益，高输入阻抗。
3.2 按应用选择 ADS129 型号
1）噪声与精度
诊断级 ECG：
要求通道噪声 ≤ 15 µVpp；
ADS1298 在 0.05–150 Hz 带宽、增益 6 条件下噪声约 4 µVpp，完全满足诊断级要求，并留有安全余量。
EEG：
信号为几十 µV，如果前端噪声达到 4–8 µVpp，就会严重占耗动态空间；
ADS1299 噪声 ≈ 1 µVpp，明显优于 ADS1298，在 μV 级脑电上性价比更高。
结论： ECG 优先选 ADS1298/1298R 系列；EEG 应优先选 ADS1299 系列。 尝试用 ADS1298 做 EEG“能用但不理想”，噪声往往在数 µVpp 级，会显著压缩 SNR。
2）增益与动态范围
ECG 幅度较大，12× PGA 已够用；
EEG 幅度极小，且叠加 mV 级共模干扰，需要：
更高增益（ADS1299 支持 24×）；
更高 AVDD（±2.5 V 双极等效）提供足够头房，避免偏置或伪迹导致饱和。
3）采样率需求
ECG：0.05–150 Hz 为主，500 SPS–1 kSPS 即可满足多种诊断算法；
ADS1298 支持最高 32 kSPS，主要用于起搏脉冲检测等高速事件。
EEG：常用采样率 250–1 kSPS；研究级可能上到 2–16 kSPS；
ADS1299 最高 16 kSPS，覆盖 EEG 绝大多数需求。
4）通道数与集成功能
ECG：临床 12 导联通常用 8 通道 ADC + 导联合成；
ADS1298：8 通道 + RLD/导联计算 + 呼吸测量（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 + 菊链扩展，很适合构建高通道 EEG 系统。
总结：
诊断级、多导联 ECG → ADS1298/1298R；
可穿戴/低功耗 ECG → ADS1292/1293 系列；
科研级、高通道 EEG → ADS1299 多片级联。
四、模拟前端（AFE）设计要点
芯片只是“内核”，真正决定系统表现的，是外围 AFE 的整体设计。以下几个方面尤为关键。
4.1 输入缓冲与高阻抗接口
ADS129 系列内部 PGA 输入阻抗已经很高（偏置电流百 pA 级），一般可以直接接电极，无需额外前置放大器，有利于降低噪声源。
但对于：
干电极 EEG（接触阻抗可到数百 kΩ–MΩ），或
超长导线与特殊电极结构 可考虑添加一层 FET 输入、高阻抗缓冲运放：
目的：
提升等效输入阻抗；
减少开关电容采样瞬态对信号的影响；
隔离电极极化电压。
代价：
引入运放自身噪声和失调；
设计难度与功耗上升。
设计建议： 能不加缓冲就不加，一旦需要，必须选低噪声、低失调、高 GBW 的 FET 输入运放，并仔细评估噪声预算。
4.2 抗混叠滤波器（AAF）
虽然 ADS129 内部有数字 Δ-Σ 滤波器，但简单的模拟 AAF 仍然必要，常用拓扑：
每个差分输入的正/负端各串一个电阻（如 5–10 kΩ），在各自对地（或对共模点）接一个小电容（如 2.2–4.7 nF）：
构成一阶低通（几 kHz），远高于信号带宽；
有效衰减射频干扰和高频杂波；
为内部开关电容采样网络提供阻尼，提高采样稳定性。
关键点：
差分两端的 RC 必须匹配对称，否则共模相移不一致，导致 CMRR 降低；
不要把截止频率设计得太低，以免影响所需信号带宽（特别是高频 EEG/起搏检测）。
4.3 输入保护与除颤/ESD 防护
医疗电极接口必须优先考虑安全与保护。
常见保护结构：
电极 → 限流电阻（51–100 kΩ） → ADC 输入；
ADC 输入对地/对电源轨放置 TVS 或高速箝位二极管；
电极之间配置背靠背二极管限制差模电压；
应对场景：
除颤高压；
手术电刀干扰；
ESD 冲击。
同时，可以在输入端并联高值泄放电阻（几十～几百 MΩ），帮助释放电极极化电荷，减少大信号后的基线恢复时间。
4.4 电极偏置与 RLD / 偏置驱动
为了提升系统 CMRR，ECG 系统通常使用驱动右腿（RLD）电路，EEG 可以使用偏置电极驱动：
ADS1298 / 1299 内置 RLD/偏置放大器，可直接用来驱动患者身体到 ADC 的共模中点；
典型设计：
将多路输入的共模电压求平均反馈；
RLD 输出串一个电阻（如 100 kΩ）接到驱动电极；
在运放反馈中加入电容做补偿（如 47–100 nF）以防振荡。
正确设计的 RLD / 偏置驱动可额外提升 20–40 dB CMRR，对 50/60 Hz 抑制非常有帮助。
4.5 导联脱落检测
ADS129 系列支持 DC / AC 导联脱落检测：
DC 检测：
通过微小 DC 偏置或电流检测电极阻抗变化；
实现简单，但可能引入电极极化和慢漂移。
AC 检测：
在不影响信号带宽的高频（如 kHz）注入小 AC 信号；
通过测量阻抗变化判断脱落；
对高阻抗 EEG 电极更友好。
设计建议：
ECG：可优先考虑 DC 检测，结合较大的时间常数防止影响低频基线；
EEG：更适合 AC 导联检测，避免干扰 μV 级脑电直流/低频成分。
五、与 ADI / Maxim 同类方案的比较 5.1 vs ADI ADAS1000 系列（ECG AFE）
ADAS1000 特点：
5 通道 ECG AFE，可级联扩展导联；
内部使用 14 位 SAR ADC + 过采样技术，ENOB 可达 18–19 位；
集成起搏检测、呼吸阻抗测量等功能；
噪声性能在 0.05–150 Hz 下约 6–10 µVpp 量级，功耗每通道数 mW。
与 ADS129x 对比：
分辨率：ADAS1000 “14 位 + 过采样” vs ADS129x 原生 24 位 Δ-Σ；
噪声：ADAS1000 噪声明显高于 ADS1298（同带宽下 ADS1298 ≈ 4 µVpp）；
功耗：ADAS1000 每通道功耗约为 ADS1298 的数倍；
但 ADAS1000 内置更多算法和处理能力，适合想在芯片端“少算一点”的系统。
