MAX86176/MAX30005：超低功耗光學(xué)PPG與單導(dǎo)聯(lián)ECG前端解決方案

引言

在可穿戴設(shè)備和醫(yī)療監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，對(duì)于高性能、低功耗的模擬前端（AFE）需求日益增長(zhǎng)。MAX86176和MAX30005這兩款產(chǎn)品正是順應(yīng)這一趨勢(shì)的優(yōu)秀解決方案。今天，我們就來(lái)深入了解一下這兩款A(yù)FE的特點(diǎn)、應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)。

文件下載：MAX30005.pdf

產(chǎn)品概述

功能定位

MAX86176是一款適用于可穿戴應(yīng)用的完整光電容積脈搏波描記法（PPG）和心電圖（ECG）模擬前端解決方案。而MAX30005則專注于ECG，是一款完整的ECG AFE解決方案。兩者都為健身和臨床應(yīng)用提供高性能，同時(shí)具備超低功耗，以延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。

共同特性

MAX86176和MAX30005都具備ECG通道、EMI濾波、內(nèi)部導(dǎo)聯(lián)偏置、AC和DC導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)、右腿驅(qū)動(dòng)、待機(jī)模式下的超低功耗DC導(dǎo)聯(lián)連接檢測(cè)，以及用于內(nèi)置自測(cè)試的大量校準(zhǔn)電壓。并且，它們既可以使用內(nèi)部時(shí)鐘，也能使用外部時(shí)鐘。此外，這兩款產(chǎn)品還設(shè)計(jì)符合IEC 60601 - 2 - 47動(dòng)態(tài)心電圖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，適用于極具挑戰(zhàn)性的干電極應(yīng)用。

封裝與溫度范圍

它們采用6x6 36凸點(diǎn)晶圓級(jí)封裝（WLP），工作溫度范圍為 - 40oC至 + 85oC。

應(yīng)用領(lǐng)域

PPG（MAX86176）

MAX86176的PPG功能可用于具有臨床精度的健身、健康和醫(yī)療應(yīng)用的可穿戴設(shè)備。它適用于手腕、手指、耳朵等部位，能夠優(yōu)化性能以檢測(cè)心率、血氧飽和度（(SpO{2})）、肌肉和組織血氧飽和度（(SmO{2})和 (StO_{2}) ）以及身體水分含量。

ECG（MAX86176/MAX30005）

• 心律失常檢測(cè)：可用于單導(dǎo)聯(lián)事件監(jiān)測(cè)器，檢測(cè)心房顫動(dòng)（AFib）和其他心律失常。
• 家庭/醫(yī)院監(jiān)測(cè)：?jiǎn)螌?dǎo)聯(lián)無(wú)線貼片可實(shí)現(xiàn)家庭或醫(yī)院內(nèi)的監(jiān)測(cè)。
• 健身應(yīng)用：胸帶式心率監(jiān)測(cè)器用于健身場(chǎng)景。
• 生物識(shí)別認(rèn)證和按需ECG應(yīng)用：在生物識(shí)別和特定需求的ECG監(jiān)測(cè)中發(fā)揮作用。

PPG - ECG同步（MAX86176）

MAX86176具有完全同步的PPG和ECG信號(hào)路徑，可用于脈搏傳輸時(shí)間（PTT）測(cè)量。

優(yōu)勢(shì)與特性

PPG（MAX86176）

• 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：完整的雙通道光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，適用于可穿戴設(shè)備的超低功耗運(yùn)行。
• 低功耗：光學(xué)讀出通道在25fps、14.6μs至117.1μs ADC積分時(shí)間下典型值小于11，關(guān)機(jī)電流典型值小于1μA。
• 高信噪比：采用平均（Avg）模式和片外濾波時(shí)，信噪比高達(dá)110dB。
• 幀率支持：支持1fps至2kfps的幀率。
• 高分辨率：20位電荷積分ADC，暗電流噪聲小于 (50 pA_{RMS}) 。
• 環(huán)境適應(yīng)性：具有出色的環(huán)境光范圍和抑制能力，環(huán)境光電二極管電流大于100μA，在120Hz時(shí)環(huán)境光抑制大于90dB（Avg > 2）。

ECG（MAX86176/MAX30005）

• 臨床級(jí)精度：臨床級(jí)ECG AFE，配備高分辨率ADC，在0.05Hz至40Hz范圍內(nèi)有效位數(shù)（ENOB）為15.6，噪聲為0.6μVRMS。
• 低輸入偏置電流：在 - 40°C至 + 85°C溫度范圍內(nèi)，輸入偏置電流非常低，在0.05Hz至40Hz、 (T_{A}= + 25^{circ}C) 時(shí)輸入電流噪聲為233fARMS。
• 高共模抑制比：全差分輸入結(jié)構(gòu)，在電源線頻率下共模抑制比（CMRR）大于110dB。
• 高輸入阻抗：輸入阻抗大于1GΩ，可實(shí)現(xiàn)極低的共模到差模轉(zhuǎn)換。
• 寬直流偏置范圍：直流偏置范圍為 ± 1300mV（典型值1.8V），允許使用多種類(lèi)型的電極。
• 高交流動(dòng)態(tài)范圍：交流動(dòng)態(tài)范圍為90mVP - F，有助于防止在運(yùn)動(dòng)時(shí)飽和。
• 多功能應(yīng)用：ECG生物電勢(shì)通道可用于一些腦電圖（EEG）應(yīng)用，提供更高增益范圍（480V/V，960V/V），低輸入?yún)⒖茧妷汉碗娏髟肼暎墒褂眯∶娣e干電極。

系統(tǒng)特性

• 低關(guān)機(jī)電流：關(guān)機(jī)電流典型值為0.5μA。
• FIFO緩存：256字的FIFO用于ECG和PPG數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
• 數(shù)據(jù)同步：來(lái)自專用信號(hào)路徑的真正同步ECG和PPG數(shù)據(jù)。
• 可配置中斷：兩個(gè)完全可配置的中斷。
• 通信接口：高速SPI接口或 (I^{2}C) 接口。
• 小尺寸封裝：2.728mm x 2.708mm的WLP封裝。

修訂歷史

產(chǎn)品文檔會(huì)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更新，從2020年10月的初始版本發(fā)布到2024年11月的第4版，每次修訂都對(duì)電氣特性、引腳描述、信號(hào)鏈、濾波、檢測(cè)機(jī)制等多個(gè)方面進(jìn)行了更新和完善。這也提醒我們?cè)谑褂卯a(chǎn)品時(shí)，要及時(shí)關(guān)注最新的文檔版本，以獲取最準(zhǔn)確的信息。

總結(jié)

MAX86176和MAX30005憑借其超低功耗、高性能以及豐富的功能特性，在可穿戴設(shè)備和醫(yī)療監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。無(wú)論是對(duì)于追求高精度的臨床應(yīng)用，還是注重續(xù)航和便捷性的消費(fèi)級(jí)可穿戴產(chǎn)品，這兩款A(yù)FE都能提供可靠的解決方案。電子工程師們?cè)?a href="http://www.makelele.cn/soft/data/61-62/" target="_blank">設(shè)計(jì)相關(guān)產(chǎn)品時(shí)，可以充分考慮它們的優(yōu)勢(shì)，為產(chǎn)品的性能提升和功能拓展提供有力支持。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過(guò)哪些類(lèi)似產(chǎn)品的使用問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)留言分享。