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

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。

结论：

• 要 高精度 + 低功耗 + 多通道可扩展 → ADS129x 更有优势；
• 要 集成算法 + 简化后端处理 → ADAS1000 有一定吸引力。

5.2 vs Maxim MAX3000x 系列（可穿戴 AFE）

以 MAX30001 为例：

• 目标应用：单通道/少通道可穿戴 ECG + 生物阻抗（BioZ）；
• ENOB 约 15.9 位，有效噪声 ~3 µVpp；
• CMPR、输入阻抗等指标接近 ADS129x；
• 最大优势在功耗：1.1 V 供电下每通道 ~85 µW，比 ADS1298 的 0.75 mW/通道低一个数量级；
• 集成 R-R 检测、心率中断输出等算法，强调系统级低功耗与简化 MCU 工作量。

结论：

• 超低功耗、少通道、可穿戴 → MAX3000x 是很合适的 SoC 型 AFE；
• 多通道、高精度、诊断级 ECG 或科研 EEG → ADS129 系列更方便扩展且噪声/功耗比更优秀。

六、小结与设计建议

整体来看，TI ADS129 系列在 “高分辨率 + 低噪声 + 多通道 + 低功耗” 的综合平衡上具有明显优势，是 ECG/EEG 医疗采集系统非常值得优先考虑的一条路线。

设计时可以按下面的思路来选型和设计：

1. 按应用选芯片

   • 诊断级、多导联 ECG：ADS1298 / 1298R；
   • 可穿戴、低功耗心率/ECG：ADS1292 / 1293；
   • 高通道数、科研级 EEG：ADS1299 级联。

2. 按信号特性做 AFE

   • 充分利用 ADS129 内部 PGA、高输入阻抗，优先“直连电极”；
   • 必要时为干电极 EEG 等增加 FET 输入缓冲；
   • 每通道配置对称 RC AAF，既抑制高频噪声，又兼顾稳定性与带宽；
   • 设计合理的输入保护、除颤/ESD 防护电路；
   • 善用 RLD/偏置驱动提升 CMRR，正确设置导联脱落检测策略。

3. 与其他厂商方案的搭配

   • 对于 诊断级多导联 / EEG：以 ADS129 系列为主；
   • 对于 极端低功耗单导/少导，可穿戴：可考虑 MAX3000x 等方案作为补充；
   • 对于需要 片上算法和特殊功能的传统监护设备：可评估 ADAS1000 等方案。

通过理解 ADS129 系列各型号的定位与设计要点，并结合外围 AFE 的精心设计，你可以在 ECG/EEG 系统中既满足医疗规范，又在功耗、成本、通道数之间找到一个合理的工程平衡点。