数字积分模式
上面提到的所有模式都使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工作。在亮区，LED发送脉冲，而在暗区，LED熄灭。ADC样本以1 ?s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计算信号。此模式可以支持较长的LED脉冲。因此，这是光电二极管响应时间较慢且需要较长脉冲的应用的典型工作模式。BPF被旁路并关断。数字积分模式可提供最佳的功率效率，并且可实现最高的SNR水平。然而，由于使用较长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。
数字积分模式的优劣
如前所述，针对PPG测量的典型工作模式是连续连接模式，因为它在CTR大于5 nA／mA的条件下可提供高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，并提供最优的每瓦SNR效率。因此，如果环境光对应用而言不是问题，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，则与连续连接模式相比，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响应时间较慢而需要较长脉冲，或者不需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应用
鉴于COVID－19大流行，PPG应用在生命体征监测和健康诊断中变得更加重要。此外，多指标对于检测至关重要。例如，一些重要的生命体征测量包括心率监测（HRM）、HRV和血氧饱和度（SpO2，可通过脉搏血氧仪和血压进行测量）。
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价值。缺氧指身体组织缺乏氧供应，是COVID－19的主要症状之一。缺氧也可能引起心律加快。因此，光学和无创心率监测对于检测也很关键。
对于将来的可穿戴设备，多种测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可测量任何类型的传感器输入（包括温度、ECG和呼吸测量）。因此，仅使用一个传感器AFE就能建立完整的多参数VSM平台。
脉搏血氧测定—SpO2测量
脉搏血氧测定使用红光（通常为660 nm波长）和红外（IR） LED（通常为940 nm波长）。脱氧血红蛋白主要吸收660 nm波长的光，而氧合血红蛋白主要吸收940 nm波长的光。光电二极管感知未被吸收的光，然后将感知到的信号分为直流分量和交流分量。直流分量代表组织、静脉血和非搏动性动脉血引起的光吸收。交流分量代表搏动性动脉血。然后按照下式计算SpO2的百分比：
可将ADPD4100／ADPD4101的任意两个时隙配置为测量对红光和IR LED的响应，从而测量SpO2。其余时隙可以配置为测量来自不同波长LED的PPG，并且还可以支持ECG测量、导联脱落检测、呼吸测量及其他传感器测量。
表1．ADPD4100／ADPD4101多种工作模式和设置
Mode 模式 | Typical settings 典型设置 | Comments 注释 |
Continuous Connect Mode 连续连接模式 | SAMPLE＿TYPE＝0 SAMPLE＿TYPE＝0 MOD＿TYPE＝0 MOD＿TYPE＝0 NUM＿INT＝1 NUM＿INT＝1 NUM＿REPEAT≥1 NUM＿REPEAT≥1 | Typical mode for PPG measurement PPG测量的典型模式 Best ambient light rejection 最佳环境光抑制 Provides low noise and low power performance 提供低噪声、低功耗性能 Can achieve 95＋ dB dc SNR with integrator chopping and decimation 通过积分器斩波和抽取可实现95＋ dB DC SNR Needs decent CTR （＞5 nA／mA） 需要合适的CTR （＞5 nA／mA） |
Digital Integration Mode 数字积分模式 | SAMPLE＿TYPE＝1｜2 SAMPLE＿TYPE＝1｜2 MOD＿TYPE＝0 MOD＿TYPE＝0 NUM＿INT≥1 NUM＿INT≥1 NUM＿REPEAT≥1 NUM＿REPEAT≥1 | Provides the best power efficiency at 85＋ dB dc SNR 提供最佳功率效率，85＋ dB DC SNR Can provide the highest dc SNR levels （100＋ dB） due to the use of longer LED pulses 由于使用较长LED脉冲，可以提供最高的DC SNR （100＋ dB） Good for applications where ambient light is not a concern 适合不需考虑环境光的应用 Good for applications where the sensor cannot handle short pulses due to slow response time 适合传感器由于响应时间慢而无法处理短脉冲的应用 Cannot support simultaneous sampling of two channels／sources 无法支持同时采样两个通道／源 |
Float Mode 浮空模式 | SAMPLE＿TYPE＝0 SAMPLE＿TYPE＝0 MOD＿TYPE＝1 MOD＿TYPE＝1 NUM＿INT＝1 NUM＿INT＝1 NUM＿REPEAT≥1 NUM＿REPEAT≥1 | Works under low light conditions （CTR ＜5 nA／mA） 在弱光条件下有效（CTR ＜5 nA／mA） Used when continuous connect mode fails to deliver 50％ of full scale 当连续连接模式无法提供50％的满量程时使用 Good for applications where ambient light is not a concern 适合不需考虑环境光的应用 Provides lower noise and lower power consumption than multiple integration mode 与多次积分模式相比，噪声和功耗更低 |
Multiple Integration Mode 多次积分模式 | SAMPLE＿TYPE＝0 SAMPLE＿TYPE＝0 MOD＿TYPE＝0 MOD＿TYPE＝0 NUM＿INT＞1 NUM＿INT＞1 NUM＿REPEAT≥1 NUM＿REPEAT≥1 | Works under low light conditions （CTR ＜5 nA／mA） 在弱光条件下有效（CTR ＜5 nA／mA） Used when continuous connect mode fails to deliver 50％ of full scale 当连续连接模式无法提供50％的满量程时使用 Good for applications where high ambient light rejection is needed 适合需要高环境光抑制性能的应用 |
作为例子，图2显示了同步的红光、绿光和IR PPG信号，以及IR信号的交流和直流部分。
图2．红光、绿光和IR PPG，标有IR PPG信号的交流和直流部分
心率监测
心率监测对于检测COVID－19同样至关重要。由于缺氧导致氧气供应下降，心脏开始加快跳动，以为组织提供足够的氧气。心率监测在检测心脏问题或跟踪健身行为方面也很有价值。
心率监测一般首选波长约为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信号。它还提供不错的CTR水平，因此功耗不会太高。
AC SNR是一个关系信号质量的参数，可以通过DC SNR乘以调制指数来计算。例如，调制指数为1％时，95 dB DC SNR相当于55 dB AC SNR。
ECG测量
ECG测量已纳入可穿戴设备中，例如用于抽检的手表和用于连续监测的胸贴。此类设备通常使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。使用干电极进行ECG测量的主要挑战是电极－皮肤接触阻抗很高且过电势相对较高。
基于常规仪表放大器的ECG解决方案使用缓冲器来减轻与信号衰减相关的高电极－皮肤接触阻抗影响。右腿驱动（RLD）技术需要第三电极并将基准电压驱动回人体，在测量电压的ECG系统中，该技术的作用是抑制人体、电极和电缆所暴露所致的共模电压。
当应用于ECG测量时，ADPD4100／ADPD4101采用一种新颖的方法，即使用无源电阻电容（RC）电路来跟踪一对电极上的差分电压。无源RC电路可以简单到只有三个元件，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。如果充电时间＞3τ，则电容CS上的电荷与两个电极上的差分电压成正比，其中τ为RS和CS定义的时间常数，τ＝2RSCS。在电荷转移步骤中，电容连接到TIA，电荷转移到AFE进行测量。这种基于电荷测量的ECG解决方案具有多个优势，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测量配置。（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说明。
借助ADPD4100／ADPD4101的设计灵活性，使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解决方案中。图3a显示了导联脱落检测电路，它将脉冲驱动到一个电极，并在另一电极接收电流。如果一个或两个电极从皮肤上脱落，则路径断开，接收不到电流。图4显示了ECG迹线和导联脱落检测的接收电流，其中ECG在时隙A中测量，导联脱落检测在时隙B中进行。
常规ECG解决方案中的导联脱落检测使用上拉电阻电路，会影响ECG电路的输入阻抗；相比之下，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测量产生影响。利用此直流耦合电路，一旦电极与皮肤的接触重新建立，便会捕获到ECG信号。
图4．ECG测量和导联脱落检测。通过直流耦合即时恢复ECG。
基于阻抗的呼吸测量
使用ADPD4100／ADPD4101进行呼吸测量时，检测的是吸气和呼气周期中肺的生物阻抗变化。在重症监护病房（ICU）中，以及在睡眠期间，对患者进行呼吸测量有利于患者管理，而且能及时报警以挽救生命。这对有呼吸系统疾病和睡眠呼吸中止症的患者至关重要。仅仅睡眠呼吸中止症就是一个严重的公共健康和安全威胁，在美国有超过2500万成年人罹患此症。1
当患者呼吸时，肺的容积会膨胀和收缩，导致胸部阻抗发生变化。通过将电流注入胸部路径并测量压降，可以测量该阻抗变化。图5a显示了一个参考设计，采用两个电极进行ECG测量和呼吸监测。图5b显示了同步记录的ECG、呼吸相关阻抗波和PPG。ECG和呼吸利用左右手腕上的不锈钢干电极测量，PPG利用绿光LED测量。
图5．ECG和呼吸测量。（a） 采用开尔文检测方法进行睡眠浮空ECG和呼吸测量的外部电路。（b） ECG、呼吸和PPG同步测量示例。
总结
生命体征监测以智能可穿戴设备的形式扩大了其在消费市场中的存在。可穿戴设备产生的健康信息对健康和疾病管理可以发挥重要作用。为了满足需求并使这些设备可供更广泛的人群使用，设计人员必须考虑成本、尺寸和功耗等常见需求。ADI公司的这款突破性AFE ADPD4100／ADPD4101展示了其作为多参数生命体征监测中枢的巨大优势。单个AFE设计可减少多参数VSM系统的IC数量，从而大大缩减成本和尺寸。此外，采用ADPD4100／ADPD4101设计的多参数系统可以生成同步数据，消除了数据同步的负担。
参考文献
1“美国睡眠呼吸中止症飙升威胁公共卫生”。美国睡眠医学学会（AASM）。2014年9月。
