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シングル・リード心拍モニタ
フロント・エンド
AD8232
データシート
機能ブロック図
特長
20
HPSENSE
1
19
18
IAOUT
REFIN
S1 10kΩ
A3
17
16
+VS
GND
HPDRIVE
FR
15
AC/DC
14
SDN
13
+IN
2
IA
–IN
3
AD8232
150kΩ
4
LOD+
C1
12
RLDFB
LEADS-OFF
DETECTION
A2
5
RLD
LOD–
11
C2
S2
10kΩ
A1
SW
OPAMP+
6
REFOUT
7
OPAMP–
8
9
OUT
10
10866-001
シングル・リード ECG フロント・エンドを内蔵
低電源電流: 170 µA (typ)
同相モード除去比: 80 dB (DC～60 Hz)
2 本または 3 本の電極構成
高信号ゲイン (G = 100)、DC 阻止機能付き
調整可能な 2 極ハイパス・フィルタ
±300 mV までのハーフ・セル電位を許容
高速回復機能によりフィルタ設定の向上
汎用オペアンプを内蔵
調整可能な 3 極ローパス・フィルタ、ゲイン調整可能
リード・オフ検出機能: AC または DC オプション
ライト・レッグ駆動 (RLD) アンプを内蔵
単電源動作: 2.0 V～3.5 V
内蔵リファレンス・バッファにより仮想グラウンドを発生
レール to レール出力
RFI フィルタを内蔵
8 kV の HBM ESD 定格
シャットダウン・ピンを装備
20 ピン 4 mm × 4 mm LFCSP パッケージを採用
図 1.
アプリケーション
フィットネスおよび活動心拍モニタ
携帯型 ECG
リモート健康モニタ
ゲーム機器ペリフェラル
生体電位信号アクイジション
概要
AD8232 は、ECG やその他の生体電位計測アプリケーション向け
の統合シグナル・コンデショニング・ブロックです。このデバイ
スは、モーションまたはリモート電極配置などによるノイズの多
い条件下で小さい生体電位信号の抽出、増幅、フィルタを行うよ
うにデザインされています。このデザインにより、超低消費電力
A/D コンバータ (ADC) または組込みマイクロコントローラが容易
に出力信号を取得できるようになります。
AD8232 では、モーション副作用と電極ハーフ・セル電位を除去す
る 2 極ハイパス・フィルタを構成することができます。このフィ
ルタとアンプの計装アーキテクチャを緊密に組み合わせて、シン
グル・ステージで大きなゲインとハイパス・フィルタ機能を実現
し、省スペースと低価格を可能にしています。
システム内でライン周波数とその他の不要な干渉の同相モード除
去比を向上させるため、AD8232 はライト・レッグ駆動 (RLD)の
ようなリード駆動アプリケーション用のアンプを内蔵しています。
AD8232 は、ハイパス・フィルタの長いセトリング・テールが続
かないようにする高速回復機能を内蔵しています。急激な信号変
化 (例えばリード・オフ状態)がアンプに加わった後、AD8232 は
自動的にフィルタ・カットオフを上げるように調整します。この
機能を使うと、AD8232 は迅速に回復できるため、電極を対象に
接続すると直ちに有効な測定値を取得することができます。
AD8232 は、4 mm × 4 mm の 20 ピン LFCSP パッケージを採用して
います。性能は 0°C～70°C で規定され、−40°C～+85°C で動作可
能です。
汎用オペアンプを使用すると、AD8232 ではさらにノイズを除去
する 3 極ローパス・フィルタを構成することができます。様々な
タイプのアプリケーションに合わせてすべてのフィルタの周波数
カットオフを選択することができます。
アナログ・デバイセズ社は、提供する情報が正確で信頼できるものであることを期していますが、その情報の利用に関して、あるいは利用によって
生じる第三者の特許やその他の権利の侵害に関して一切の責任を負いません。また、アナログ・デバイセズ社の特許または特許の権利の使用を明示
的または暗示的に許諾するものでもありません。仕様は、予告なく変更される場合があります。本紙記載の商標および登録商標は、それぞれの所有
者の財産です。※日本語版資料は REVISION が古い場合があります。最新の内容については、英語版をご参照ください。
Rev. A
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本
AD8232
データシート
目次
特長 ......................................................................................................... 1
スタンバイ動作 ............................................................................... 19
アプリケーション ................................................................................. 1
入力保護 ........................................................................................... 19
機能ブロック図 ..................................................................................... 1
無線周波数干渉(RFI) ...................................................................... 20
概要 ......................................................................................................... 1
電源のレギュレーションとバイパス............................................ 20
改訂履歴 ................................................................................................. 2
入力換算オフセット ....................................................................... 20
仕様 ......................................................................................................... 3
レイアウトの推奨事項 ................................................................... 20
絶対最大定格 ......................................................................................... 5
アプリケーション情報 ....................................................................... 21
ESD の注意 ........................................................................................ 5
電極オフセットの除去 ................................................................... 21
ピン配置およびピン機能説明 ............................................................. 6
ハイパス・フィルタ ....................................................................... 21
代表的な性能特性 ................................................................................. 7
ローパス・フィルタとゲイン ....................................................... 23
計装アンプの性能カーブ ................................................................. 7
A/D コンバータの駆動.................................................................... 23
オペアンプの性能カーブ ............................................................... 10
駆動電極 ........................................................................................... 23
ライト・レッグ駆動 (RLD) アンプの性能カーブ ....................... 13
アプリケーション回路 ....................................................................... 24
リファレンス・バッファの性能カーブ ....................................... 14
心臓近くでの心拍測定 ................................................................... 24
システムの性能カーブ ................................................................... 15
運動機器アプリケーション: 手での心拍測定 .............................. 24
動作原理 ............................................................................................... 16
心臓モニタの構成 ........................................................................... 25
アーキテクチャの概要 ................................................................... 16
モーション副作用除去機能付きの携帯型心臓モニタ ................ 25
計装アンプ ....................................................................................... 16
パッケージとオーダー情報................................................................ 27
オペアンプ ....................................................................................... 16
外形寸法 ........................................................................................... 27
ライト・レッグ駆動アンプ ........................................................... 17
オーダー・ガイド ........................................................................... 27
リファレンス・バッファ ............................................................... 17
高速回復回路 ................................................................................... 17
リード・オフ検出機能 ................................................................... 18
改訂履歴
2/13—Rev. 0 to Rev. A
Changes to Table 1 ............................................................................... 4
Changes to Table 2 ............................................................................... 6
Change to Figure 17 ............................................................................. 9
Changes to Figure 22 and Figure 25 ................................................... 11
Changes to Figure 34 and Figure 36 ................................................... 14
Changes to Figure 45, Architecture Overview Section, and
Instrumentation Amplifier Section...................................................... 17
Changes to Right Leg Drive Amplifier Section, Reference Buffer Section,
Fast Restore Circuit Section, and Figure 48; Added Figure 46,
Renumbered Sequentially ................................................................... 18
Changes to Figure 49 .......................................................................... 19
Changes to AC Leads Off Detection Section and Standby Operation
Section ................................................................................................ 20
Changes to Input Referred Offsets Section ......................................... 21
Rev. A
Changes to Figure 53 and High-Pass Filtering Section ....................... 22
Changes to Additional High-Pass Filtering Options Section; Added Table
4 .......................................................................................................... 23
Changes to Low-Pass Filtering and Gain Section; Added Driving Analog-toDigital Converters Section and Figure 61 ........................................... 24
Changes to Figure 62, Figure 64, and Heart Rate Measurement Next to
the Heart Section ................................................................................ 25
Changes to Exercise Application: Heart Rate Measured at the Hands and
Figure 66............................................................................................. 26
Changes to Figure 68 .......................................................................... 27
8/12—Revision 0: Initial Version
－ 2/27 －
AD8232
データシート
仕様
特に指定がない限り、VS = 3 V、VREF = 1.5 V、VCM = 1.5 V、TA = 25°C、FR=ロー・レベル、SDN=ハイ・レベル、AC/DC = ロー・レベル。
表 1.
Parameter
INSTRUMENTATION AMPLIFIER
Common-Mode Rejection Ratio,
DC to 60 Hz
Power Supply Rejection Ratio
Offset Voltage (RTI)
Instrumentation Amplifier Inputs
DC Blocking Input1
Average Offset Drift
Instrumentation Amplifier Inputs
DC Blocking Input1
Input Bias Current
Symbol
Test Conditions/Comments
Min
Typ
CMRR
VCM = 0.35 V to 2.85 V, VDIFF = 0 V
80
86
dB
VCM = 0.35 V to 2.85 V, VDIFF = ±0.3 V
VS = 2.0 V to 3.5 V
76
80
90
dB
dB
PSRR
VOS
3
5
10
0.05
50
1
25
1
IB
TA = 0°C to 70°C
Input Offset Current
IOS
TA = 0°C to 70°C
Input Impedance
Differential
Common Mode
Input Voltage Noise (RTI)
Spectral Noise Density
Peak-to-Peak Voltage Noise
Input Voltage Range
DC Differential Input Range
Output
Output Swing
Short-Circuit Current
Gain
Gain Error
Average Gain Drift
Bandwidth
RFI Filter Cutoff (Each Input)
OPERATIONAL AMPLIFIER (A1)
Offset Voltage
Average TC
Input Bias Current
f = 1 kHz
f = 0.1 Hz to 10 Hz
f = 0.5 Hz to 40 Hz
TA = 0°C to 70°C
VDIFF
RL = 50 kΩ
VOS
IB
TA = 0°C to 70°C
Input Offset Current
IOS
TA = 0°C to 70°C
Input Voltage Range
Common-Mode Rejection Ratio
Power Supply Rejection Ratio
Large Signal Voltage Gain
Output Voltage Range
Short-Circuit Current Limit
Gain Bandwidth Product
Slew Rate
Voltage Noise Density (RTI)
Peak-to-Peak Voltage Noise (RTI)
Rev. A
nV/√Hz
µV p-p
µV p-p
V
mV
+VS
+300
+VS − 0.1
1
5
100
1
100
1
TA = 0°C to 70°C
0.1
CMRR
PSRR
AVO
VCM = 0.5 V to 2.5 V
RL = 50 kΩ
IOUT
GBP
SR
en
en p-p
－ 3/27 －
3.5
5
+VS − 0.1
100
100
110
0.1
f = 1 kHz
f = 0.1 Hz to 10 Hz
f = 0.5 Hz to 40 Hz
100
µV/°C
µV/°C
pA
nA
pA
nA
100
12
14
6.3
100
0.4
1
12
2
1
BW
200
mV
µV
GΩ||pF
GΩ||pF
0.1
VDIFF = 0 V
VDIFF = −300 mV to +300 mV
TA = 0°C to 70°C
8
50
Unit
10||7.5
5||15
0.2
−300
IOUT
AV
Max
+VS − 0.1
12
100
0.02
60
6
8
V
mA
V/V
%
%
ppm/°C
kHz
MHz
mV
µV/°C
pA
nA
pA
nA
V
dB
dB
dB
V
mA
kHz
V/µs
nV/√Hz
µV p-p
µV p-p
AD8232
データシート
Parameter
RIGHT LEG DRIVE AMPLIFIER (A2)
Output Swing
Short-Circuit Current
Integrator Input Resistor
Gain Bandwidth Product
REFERENCE BUFFER (A3)
Offset Error
Input Bias Current
Short-Circuit Current Limit
Voltage Range
DC LEADS OFF COMPARATORS
Threshold Voltage
Hysteresis
Propagation Delay
AC LEADS OFF DETECTOR
Square Wave Frequency
Square Wave Amplitude
Impedance Threshold
Detection Delay
FAST RESTORE CIRCUIT
Switches
On Resistance
Off Leakage
Window Comparator
Threshold Voltage
Propagation Delay
Switch Timing Characteristics
Feedback Recovery Switch On Time
Filter Recovery Switch On Time
Fast Restore Reset
Symbol
Test Conditions/Comments
Min
RL = 50 kΩ
0.1
IOUT
120
GDP
VOS
IB
IOUT
RL > 50 kΩ
Typ
11
150
100
Max
Unit
+VS − 0.1
V
mA
kΩ
kHz
180
1
100
12
RL = 50 kΩ
0.1
+VS − 0.7
+VS −
0.5
60
0.5
FAC
IAC
50
Between +IN and −IN
10
mV
pA
mA
V
V
mV
µs
100
200
20
110
175
kHz
nA p-p
MΩ
μs
10
100
12
kΩ
pA
S1 and S2
RON
8
From either rail
50
2
mV
µs
tSW1
tSW2
tRST
110
55
2
ms
ms
µs
Low
High
Input Voltage (SDN)
VIL
VIH
1.24
1.35
V
V
Low
High
Output Characteristics
Output Voltage
Low
High
SYSTEM SPECIFICATIONS
Quiescent Supply Current
VIL
VIH
2.1
0.5
V
V
0.05
2.95
V
V
LOGIC INTERFACE
Input Characteristics
Input Voltage (AC/DC and FR)
LOD+ and LOD− terminals
VOL
VOH
170
210
40
100
TA = 0°C to 70°C
Shutdown Current
TA = 0°C to 70°C
Supply Range
Specified Temperature Range
Operational Temperature Range
1
2.0
0
−40
オフセットは計装アンプ入力に換算します。詳細については、入力換算オフセットのセクションを参照してください。
Rev. A
－ 4/27 －
230
500
3.5
70
+85
µA
µA
nA
nA
V
°C
°C
AD8232
データシート
絶対最大定格
上記の絶対最大定格を超えるストレスを加えるとデバイスに恒久
的な損傷を与えることがあります。この規定はストレス定格の規
定のみを目的とするものであり、この仕様の動作のセクションに
記載する規定値以上でのデバイス動作を定めたものではありませ
ん。デバイスを長時間絶対最大定格状態に置くとデバイスの信頼
性に影響を与えます。
表 2.
Parameter
Rating
Supply Voltage
Output Short-Circuit Current Duration
Maximum Voltage, Any Terminal1
Minimum Voltage, Any Terminal1
Storage Temperature Range
Operating Temperature Range
Maximum Junction Temperature
θJA Thermal Impedance2
θJC Thermal Impedance
ESD Rating
Human Body Model (HBM)
Charged Device Model (FICDM)
Machine Model (MM)
3.6 V
Indefinite
+VS + 0.3 V
−0.3 V
−65°C to +125°C
−40°C to +85°C
140°C
48°C/W
4.4°C/W
1
2
ESD の注意
ESD（静電放電）の影響を受けやすいデバイスで
す。電荷を帯びたデバイスや回路ボードは、検知さ
れないまま放電することがあります。本製品は当社
独自の特許技術である ESD 保護回路を内蔵してはい
ますが、デバイスが高エネルギーの静電放電を被っ
た場合、損傷を生じる可能性があります。したがっ
て、性能劣化や機能低下を防止するため、ESD に対
する適切な予防措置を講じることをお勧めします。
8 kV
1.25 kV
200 V
このレベルまたは最大規定電源電圧のいずれか小さい方が、すべての端子に対
する電圧上限値を表します。規定の最小または最大電圧を超える入力電圧が
加わる場合には、入力に直列に抵抗を接続して電流を 5 mA 以下に制限してくだ
さい。
θJA は、自然空冷で 4 層 JEDEC ボードに実装したデバイスに対して規定します。
Rev. A
－ 5/27 －
AD8232
データシート
20
19
18
17
16
HPSENSE
IAOUT
REFIN
+VS
GND
ピン配置およびピン機能説明
1
2
3
4
5
AD8232
TOP VIEW
15
14
13
12
11
FR
AC/DC
SDN
LOD+
LOD–
NOTES
1. CONNECT THE EXPOSED PAD TO GND OR
LEAVE UNCONNECTED.
10866-002
SW 6
OPAMP+ 7
REFOUT 8
OPAMP– 9
OUT 10
HPDRIVE
+IN
–IN
RLDFB
RLD
図 2.ピン配置
表 3.ピン機能の説明
ピン番号 記号
説明
1
HPDRIV
E
ハイパス・ドライバ出力。HPDRIVE を初段ハイパス・フィルタのコンデンサに接続します。AD8232 はこのピンを駆動し
て、HPSENSE をリファレンス電圧と同じレベルに維持します。
2
+IN
計装アンプの正入力。+IN は一般にレフト・アーム (LA) 電極に接続されます。
3
−IN
計装アンプの負入力。−IN は一般にライト・アーム (RA) 電極に接続されます。
4
RLDFB
ライト・レッグ駆動帰還入力。RLDFB はライト・レッグ駆動回路の帰還端子です。
5
RLD
ライト・レッグ駆動出力。駆動電極 (一般にライト・レッグ)を RLD ピンに接続します。
6
SW
高速回復スイッチ端子。この端子は 2 段目ハイパス・フィルタ出力へ接続します。
7
OPAMP+
オペアンプ非反転入力。
8
REFOUT
リファレンス・バッファ出力。計装アンプ出力はこの電位を基準とします。REFOUT は、信号基準を必要とする回路内の
すべてのポイントの仮想グラウンドとして使用します。
9
OPAMP−
オペアンプ反転入力。
10
OUT
オペアンプ出力。コンデショニング済の心拍信号がこの出力に現れます。OUT は ADC 入力に接続することができます。
11
LOD−
リード・オフ・コンパレータ出力。DC リード・オフ検出機能モードでは、−IN の電極が切断すると LOD−はハイ・レベル
になり、電極が接続されるとロー・レベルになります。AC リード・オフ検出機能モードでは、LOD−は常にロー・レベル
です。
12
LOD+
リード・オフ・コンパレータ出力。DC リード・オフ検出機能モードでは、+IN の電極が切断すると LOD+はハイ・レベル
になり、電極が接続されるとロー・レベルになります。AC リード・オフ検出機能モードでは、−IN または+IN の電極が切
断すると LOD+はハイ・レベルになり、両電極が接続されるとロー・レベルになります。
13
SDN
シャットダウン制御入力。低消費電力のシャットダウン・モードにするときは、 SDNをロー・レベルへ駆動します。
14
AC/DC
リード・オフ・モード制御入力。DC リード・オフ・モードにするときは、AC/DC ピンをロー・レベルへ駆動します。AC
リード・オフ・モードにするときは、AC/DC ピンをハイ・レベルへ駆動します。
15
FR
高速回復制御入力。高速回復モードをイネーブルするときは FR をハイ・レベルへ駆動します。その他の場合はロー・レベ
ルへ駆動します。
16
GND
電源グラウンド。
17
+VS
電源端子。
18
REFIN
リファレンス・バッファ入力。高インピーダンス入力端子の REFIN を使って、リファレンス・バッファのレベルを設定し
ます。
19
IAOUT
計装アンプ出力端子。
20
HPSENS
E
計装アンプのハイパス検出入力。HPSENSE は、DC 阻止回路のコーナー周波数を設定する、R と C の接続点へ接続しま
す。
EP
エクスポーズド・パッド。エクスポーズド・パッドは GND へ接続するか、未接続のままにします。
Rev. A
－ 6/27 －
AD8232
データシート
代表的な性能特性
特に指定がない限り、VS = 3 V、VREF = 1.5 V、VCM = 1.5 V、TA = 25°C。
計装アンプの性能カーブ
1200
50
40
1000
INPUT BIAS CURRENT (pA)
30
UNITS
800
600
400
20
10
0
–10
–20
–30
200
–60
–30
0
30
60
90
120
CMRR (µV/V)
10866-003
–90
–50
0
0.5
1.0
1.5
2.0
図 3.計装アンプ CMRR の分布
3.0
3.5
図 6.CMV 対計装アンプ入力バイアス電流
50
NO DC OFFSET
300mV OFFSET
1400
40
1200
30
GAIN (dB)
1000
UNITS
2.5
INPUT COMMON-MODE VOLTAGE (V)
10866-006
–40
0
–120
800
600
20
10
400
–1.5
–1.0
–0.5
0
0.5
1.0
1.5
2.0
GAIN ERROR (%)
–10
10866-004
0
–2.0
1
100
1k
10k
100k
FREQUENCY (Hz)
図 4.計装アンプ・ゲインの誤差分布
図 7.計装アンプ・ゲインの周波数特性
3.5
120
3.0
100
2.5
CMRR (dB)
2.0
1.5
1.0
80
60
0.5
40
0
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
OUTPUT VOLTAGE (V)
3.5
20
10
1k
10k
FREQUENCY (Hz)
図 5.出力電圧対計装アンプ入力同相モード範囲
Rev. A
100
図 8.計装アンプ CMRR の周波数特性、RTI
－ 7/27 －
100k
10866-008
–0.5
NO DC OFFSET
+300mV OFFSET
–300mV OFFSET
10866-005
INPUT COMMON-MODE VOLTAGE (V)
10
10866-007
0
200
AD8232
データシート
120
110
100
PSRR (dB)
90
10µV/DIV
80
70
60
50
30
200ms/DIV
1
10
100
1k
10k
100k
FREQUENCY (Hz)
10866-009
20
0.1
10866-012
40
図 12.計装アンプの 0.5 Hz～40 Hz ノイズ
図 9.計装アンプ PSRR の周波数特性
1.0
10k
0.9
0.8
GAIN ERROR (%)
NOISE (nV/√Hz)
0.7
1k
100
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
1
10
100
1k
10k
100k
FREQUENCY (Hz)
0
10866-010
1
0.1
0
50
100
150
200
250
300
DC OFFSET (mV)
図 13.DC オフセット対計装アンプ・ゲイン誤差
図 10.計装アンプ電圧ノイズ・スペクトル密度 (RTI)
22pF
470pF
1nF
100µs/DIV
図 14.計装アンプ小信号パルス応答
図 11.計装アンプの 0.1 Hz～10 Hz ノイズ
Rev. A
50mV/DIV
－ 8/27 －
10866-014
1s/DIV
10866-011
10µV/DIV
10866-013
0.1
AD8232
データシート
0.7
3.0
0.6
2.5
0.5
2.0
0.4
1.5
0.3
1.0
0.2
0.5
0.1
0
10866-015
100µs/DIV
0
–0.5
–0.1
–1.0
–40
–20
–0
20
40
60
80
–0.2
100
TEMPERATURE (°C)
図 15.計装アンプ大信号パルス応答
10866-018
INPUT BIAS CURRENT (nA)
3.5
0.5V/DIV
0.8
IB
IOS
INPUT OFFSET CURRENT (nA)
4.0
図 18.計装アンプ入力バイアス電流
および入力オフセット電流の温度特性
0.5
1.5
0.4
0.3
0.2
GAIN ERROR (%)
0.5
0
–0.5
0.1
0
–0.1
–0.2
–0.3
–40-°C
+25°C
+85°C
–1.5
100
1k
10k
100k
1M
LOAD (Ω)
–0.4
–0.5
–40
0
20
40
60
80
100
TEMPERATURE (°C)
図 19.計装アンプ・ゲイン誤差の温度特性
図 16.負荷対計装アンプ出力振幅
0.4
50
0.3
40
30
0.2
20
CMRR (µV/V)
0.1
0
–0.1
10
0
–10
–20
–0.2
–30
–0.3
–20
0
20
40
60
80
100
TEMPERATURE (°C)
–50
–40
0
20
40
60
80
TEMPERATURE (°C)
図 17.計装アンプ DC 阻止入力オフセット・ドリフト
Rev. A
–20
図 20.計装アンプ CMRR の温度特性
－ 9/27 －
100
10866-020
–0.4
–40
–40
10866-017
DC BLOCKING INPUT OFFSET (mV)
–20
10866-019
–1.0
10866-016
OUTPUT SWING (V)
1.0
AD8232
データシート
オペアンプの性能カーブ
1000
800
UNITS
600
400
–2
0
2
4
OFFSET VOLTAGE (mV)
図 24.オペアンプ大信号過渡応答
図 21.オペアンプ・オフセットの分布
160
100
140
80
120
60
100
40
80
20
60
0
40
–20
20
–40
0.1
1
10
100
1k
10k
100k
0
1M
FREQUENCY (Hz)
NOISE (nV/√Hz)
GAIN (dB)
120
10k
180
PHASE MARGIN (Degrees)
GAIN
PHASE MARGIN
図 22.オペアンプ・オープン・ループのゲインと位相の周波数
特性
1k
100
10
0.1
10866-022
140
1
10
100
1k
10k
100k
FREQUENCY (Hz)
図 25.オペアンプ電圧スペクトル・ノイズ密度の周波数特性
22pF
470pF
1nF
1s/DIV
図 26.オペアンプの 0.1 Hz～10 Hz ノイズ
図 23. 様々な容量負荷でのオペアンプ小信号応答
Rev. A
－ 10/27 －
10866-026
50mV/DIV
10866-023
5µV/DIV
10µS/DIV
10866-025
–4
100µV/DIV
10866-021
0.5V/DIV
0
10866-024
200
AD8232
データシート
120
110
100
90
80
PSRR (dB)
5µV/DIV
70
60
50
40
30
10866-027
10
0
0.1
1
10
100
1k
10k
100k
FREQUENCY (Hz)
図 27.オペアンプの 0.5 Hz～40 Hz ノイズ
10866-030
200ms/DIV
20
図 30.オペアンプ電源除去比
100
80
INPUT BIAS CURRENT (pA)
60
40
20
0
–20
–40
–80
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
INPUT COMMON-MODE VOLTAGE (V)
10866-028
–100
20V/DIV
10µV/DIV
10866-031
–60
図 31.オペアンプ負荷過渡応答 (100 μA 負荷変化)
図 28.入力同相モード電圧対オペアンプ・バイアス電流
0.8
1.5
0.6
1.0
OFFSET (mV)
OUTPUT SWING (V)
0.4
0.5
0
0.2
0
–0.2
–0.5
–0.4
–40-°C
+25°C
+85°C
1k
10k
100k
LOAD (Ω)
1M
–0.8
–40
0
20
40
60
80
TEMPERATURE (°C)
図 32.オペアンプ・オフセットの温度特性
図 29.出力電流対オペアンプ出力電圧振幅
Rev. A
–20
－ 11/27 －
100
10866-032
–1.5
100
–0.6
10866-029
–1.0
AD8232
データシート
1,000
100
10
1
–40
–20
0
20
40
60
80
TEMPERATURE (°C)
100
10866-033
INPUT BIAS CURRENT (pA)
10,000
図 33.オペアンプ・バイアス電流の温度特性
Rev. A
－ 12/27 －
AD8232
データシート
ライト・レッグ駆動 (RLD) アンプの性能カーブ
160
140
80
120
60
100
40
80
20
60
0
40
–20
20
–40
0.01
0.1
1
10
100
1k
10k
100k
0
1M
5µV/DIV
1s/DIV
FREQUENCY (Hz)
図 34.RLD アンプ・オープン・ループのゲインと
位相の周波数特性
10866-037
100
PHASE (Degrees)
OPEN-LOOP GAIN (dB)
180
GAIN
PHASE
120
10866-034
140
図 37.RLD アンプの 0.1 Hz～10 Hz ノイズ
1.5
0.5
5µV/DIV
0
–0.5
–1.5
100
1k
10k
100k
1M
LOAD (Ω)
200ms/DIV
図 35.出力電流対 RLD アンプ出力電圧振幅
図 38.RLD アンプの 0.5 Hz～40 Hz ノイズ
1k
100
10
0.1
1
10
100
1k
10k
100k
FREQUENCY (Hz)
10866-036
NOISE (nV/√Hz)
10k
図 36.RLD アンプ電圧スペクトル・ノイズ密度の周波数特性
Rev. A
－ 13/27 －
10866-038
–40-°C
+25°C
+85°C
–1.0
10866-035
OUTPUT SWING (V)
1.0
AD8232
データシート
リファレンス・バッファの性能カーブ
20
15
10,000.0
SOURCE
SINK
1,000.0
OUTPUT IMPEDANCE (Ω)
OUTPUT ERROR (mV)
10
5
0
–5
–10
100.0
10.0
1.0
0.10
1
10
LOAD CURRENT (mA)
0.1
0.1
10866-039
–20
0.01
1
10
100
1k
10k
10866-041
–15
100k
FREQUENCY (Hz)
図 39.リファレンス・バッファ負荷レギュレーション
図 41.リファレンス・バッファ出力インピーダンスの
周波数特性
10
1
–40
–20
0
20
40
TEMPERATURE (°C)
図 40.リファレンス・バッファ負荷過渡応答 (100 μA 負荷変化)
Rev. A
－ 14/27 －
60
80
100
10866-042
20mV/DIV
10µs/DIV
100
10866-040
INPUT BIAS CURRENT (pA)
1000
図 42.リファレンス・バッファ・バイアス電流の温度特性
AD8232
データシート
システムの性能カーブ
240
200
180
220
VS = 2V
VS = 3V
VS = 3.5V
SHUTDOWN CURRENT (nA)
180
160
140
VS = 2V
VS = 3V
VS = 3.5V
100
–40
–20
0
20
40
60
TEMPERATURE (°C)
80
120
100
80
60
40
20
100
0
–40
–20
0
20
40
60
80
TEMPERATURE (°C)
図 43.電源電流の温度特性
Rev. A
140
図 44.シャットダウン電流の温度特性
－ 15/27 －
100
10866-044
120
10866-043
SUPPLY CURRENT (µA)
160
200
AD8232
データシート
動作原理
+VS
HPDRIVE
HPSENSE
IAOUT
SW
17
1
20
19
6
OPAMP–
7
9
10kΩ
CHARGE
PUMP
+VS
OPAMP+
A1
10
OUT
15
FR
13
SDN
14
AC/DC
12
LOD+
11
LOD–
16
GND
8
REFOUT
S2
AC/DC
–IN 2
RFI
FILTER
+IN 3
HPA
GM1
GM2
VCM
AC/DC
S1
R
10kΩ
+VS – 0.05V
99R
C1
0.05V
INSTRUMENTATION AMPLIFIER (IA)
S1
S2
SYNCH
RECTIFIER
RLDFB 4
SWITCH
TIMING
0.7V
RLD 5
A2
+VS – 0.5V
150kΩ
REFIN 18
A3
*ALL SWITCHES SHOWN IN DC LEADS-OFF DETECTION POSITION AND FAST RESTORE DISABLED
= REFOUT
10866-045
AC/DC
図 45.簡略化した回路図
アーキテクチャの概要
AD8232 は、心拍モニタ用心電位信号コンデショニング向けの統
合フロント・エンドです。このデバイスは、特別な計装アンプ
(IA)、オペアンプ (A1)、ライト・レッグ駆動アンプ (A2)、電源中
心のリファレンス・バッファ (A3)から構成されています。さらに、
AD8232 はリード・オフ検出機能回路とリードが再接続された直
後に信号を回復させる自動高速回復回路を内蔵しています。
AD8232 は、ECG 信号を増幅すると同時に同じステージの電極ハー
フ・セル電位を除去する特別な計装アンプを内蔵しています。これ
は、従来型と比べてサイズと消費電力を小さくする間接電流帰還ア
ーキテクチャの採用により可能になっています。
計装アンプの同相モード電圧範囲を大きくするため、チャージ・
ポンプで 2 個の相互コンダクタンス・アンプの電源電圧を大きく
しています。これにより、ライン干渉などの大きな同相モード信
号が存在する中でアンプの飽和がさらに防止されます。チャー
ジ・ポンプは内蔵発振器で動作し、発振器の周波数は約 500 kHz
です。
オペアンプ
この汎用オペアンプ (A1) は、ローパス・フィルタとゲイン追加に
使用できるレール to レール・デバイスです。 次のセクションに、
このアンプの説明と回路例を記載します。
計装アンプ
図 45 に示す計装アンプは、2 個の一致した相互コンダクタンス・
アンプ(GM1 と GM2)、DC 阻止アンプ (HPA)、C1 とオペアンプで
構成される積分器から構成されています。相互コンダクタンス・
アンプ GM1 は、入力電圧に比例した電流を発生します。帰還が
満たされると、一致した電圧が相互コンダクタンス・アンプ GM2
の両入力に現れて、GM1 で発生される電流に一致します。この差
からコンデンサ C1 で積分される誤差電流が発生されます。結果
の電圧は、計装アンプ出力に現れます。
2 本の抵抗で出力信号を分圧して全体ゲイン = 100 を設定するパス
と、リファレンス・レベルからの差を積分する DC 阻止アンプの
パスの 2 つのパスを経由して GM2 を介してアンプの帰還が加えら
れます。したがって、GM1 入力間に最大±300 mV の DC オフセッ
トが反転して現れ、GM2 入力間に同じ大きさが現れ、注目するす
べての信号が飽和することはありません。
Rev. A
－ 16/27 －
AD8232
データシート
ライト・レッグ駆動 (RLD) アンプは、計装アンプ入力の同相モー
ド信号を反転させます。ライト・レッグ駆動出力電流が対象に流
れると、同相モード電圧変動が小さくなるため、システムの同相
モード除去比が向上します。
リファレンス電圧レベルは、REFIN ピンで設定されます。この電
圧は、分圧器を使うか、または回路の他のポイント (例えば ADC
リファレンス)から REFIN ピンを駆動することにより設定するこ
とができます。フィルタ回路用または ADC 入力用に、REFOUT
ピンにこの電圧が出力されています。
+VS
計装アンプ入力に現れる同相モード信号は、相互コンダクタン
ス・アンプ GM1 から出力されます。次に 150 kΩ 抵抗を介して
A2 の反転入力に接続されます。
積分器は、RLD FB 端子と RLD 端子の間にコンデンサを接続して
構成することができます。約 1 kHz のクロスオーバー周波数(アン
プが反転ユニティ・ゲインを持つ周波数)を設定する 1 nF のコン
デンサから始めます。この構成により、同相モード・ライン除去
比に対して 50 Hz～60 Hz の周波数範囲で使用可能な約 26 dB のル
ープ・ゲインが得られます。コンデンサ値を大きくすると、クロ
スオーバー周波数が小さくなるため、除去比に使えるゲインが小
さくなるので、ライン・ノイズが大きくなります。コンデンサ値
を小さくすると、クロスオーバー周波数が高い周波数へ移動する
ため、ゲインが大きくなります。トレードオフは、ゲインを高く
してシステムを不安定にするか、またはライト・レッグ・アンプ
出力を飽和させるかです。
このアンプを使って電極を駆動する場合、出力に直列に抵抗を接
続して電流を故障状態でも常に 10uA 以下に制限する必要がある
ことに注意してください。例えば、使用する電源が 3.0V の場合、
部品と電源の変動に対応するため、この抵抗を 330 kΩ より大きく
する必要があります。
R1
18
R2
REFIN
A3
10866-046
ライト・レッグ駆動アンプ
C1
図 47.内蔵リファレンス電圧の構成
分圧器の消費電力を制限するため、10 MΩ のような大きな抵抗の
使用が推奨されます。大きな抵抗値を使用すると、リファレン
ス・バッファ入力に干渉信号が発生し易くなることに注意する必
要があります。ノイズの混入を小さくするため、REFIN 端子ので
きるだけ近くに抵抗を配置することが推奨されます。さらに、分
圧器の小さい方の抵抗に並列にコンデンサを接続してフィルタ機
能を強化してください(図 47 参照)。大きなコンデンサを使うとノ
イズ・フィルタ機能が良くなりますが、パワーアップ時にリファ
レンス電圧安定時間が長くなることに注意してください。リファレ
ンス電圧が 1% 以内に制定する合計時間は次式で計算されます。
t SETTLE _ REFERENCE  5 
R1R2C1
R1  R2
シャットダウン端子を使って AD8232 をディスエーブルすると、
このコンデンサは放電しないことに注意してください。
RLDFB
4
高速回復回路
1nF
A2
150kΩ
REFOUT
*LIMIT CURRENT TO LESS THAN 10µA.
図 46.ライト・レッグ駆動回路の構成例
2 電極構成では、リード・オフ検出機能のセクションで説明するよ
うに、RLD を使って入力を 10MΩ 抵抗を介してバイアスすること
ができます。使用しない場合は、RLDFB を直接 RLD に接続して
A2 をフォロワに構成することが推奨されます。
この高速回復機能は、内部で図 48 に示すように実現されています。
計装アンプ出力は、ウインドウ・コンパレータに接続されていま
す。電圧が何れかの電源レールから 50 mV に近づくと、ウインド
ウ・コンパレータが計装アンプ出力で飽和状態を検出します。
FR 15
IA
–IN
AD8232 は単電源で動作します。単電源アプリケーションのデザ
インを簡素化するため、AD8232 は電源電圧とシステム・グラウ
ンドの間に仮想グラウンドを発生するリファレンス・バッファを
内蔵しています。計装アンプ出力に現れる信号は、この電圧を基
準とします。例えば、差動入力電圧がゼロの場合、計装アンプ出
力電圧はこのリファレンス電圧になります。
Rev. A
SWITCH
TIMING
2
3
リファレンス・バッファ
S1
+VS – 0.05V
+IN
－ 17/27 －
S2
IAOUT
0.05V
LOD+
LOD–
図 48.高速回復回路
10866-047
18
5
TO DRIVEN R*
ELECTRODE
ECG アプリケーションではハイパス・フィルタで使用されるカッ
トオフ周波数が低いため、信号の安定に数秒かかります。このセ
トリング・タイムにより、ステップ応答後(例えば電極を接続した
後)に遅延のためいらいらすることがあります。
VCM
10866-146
RLD
AD8232
データシート
SATURATION DETECTED
NO SATURATION
tS1
S1
tS2
S2
LEADS OFF
10866-048
tRST
LEADS ON
図 49. 高速回復スイッチのタイミング図
(時間軸は比例していません)
これらの 2 つのスイッチ (S1 と S2) は、HPSENSE と IAOUT との
間のパス、および SW と REFOUT との間のパスの 2 つの 10 kΩ 抵
抗パスをイネーブルします。スイッチ S1 とスイッチ S2 がイネー
ブルされた時間に、ハイパス・フィルタを構成する、これらの対
応する外付け抵抗に並列にこれらの内部抵抗が現れます。この結
果、小さくなった等価抵抗により極が高い周波数へシフトされて、
セトリング・タイムが短くなります。高速回復セトリング・タイ
ムは、AD8232 の内蔵 10 kΩ 抵抗がハイパス回路内のコンデンサ
を充電する速度に依存することに注意してください。コンデンサ
値が小さいほど、セトリング・タイムが小さくなります。タイミ
ングの終わりまで飽和状態が続く場合、サイクルが繰り返されま
す。その他の場合、AD8232 は通常動作に戻ります。何れかのリ
ード・オフ・コンパレータ出力が電極が切り離されていることを
表示している場合、有効な信号がないとみなされるため、タイミ
ング回路は起動されません。 高速回復をディスエーブルするとき
は、FR ピンをロー・レベルにするか、GND へ固定接続します。
DC リード・オフ検出機能
DC リード・オフ検出モードは、3 電極構成のみに使用されます。
この機能は、何れかの計装アンプ入力電圧が正電源レールの 0.5 V
以内になるタイミングを検出します。この場合、各入力に正電源
へ接続されたプルアップ抵抗が必要です。通常動作時、対象の電
位は計装アンプの同相モード範囲内にある必要があります。これ
は、3 つ目の電極がライト・レッグ駆動アンプ出力に接続されて
いる場合にのみ可能です。
+VS
10MΩ
2
IA
3
TO DRIVEN
ELECTRODE
5
RLD
図 50.DC リード・オフ検出機能の回路構成
リード・オフ検出機能
AD8232 はリード・オフ検出機能を内蔵しています。AC 検出モー
ドと DC 検出モードを内蔵しており、それぞれ 2 電極構成または
3 電極構成用に最適化されています。
Rev. A
10MΩ
10866-049
両入力電極が対象に接触したときこの飽和状態が発生すると、コ
ンパレータはスイッチ S1 とスイッチ S2 を自動的に閉じるタイミ
ング回路を起動します (図 49 のタイミング図参照)。
DC リード・オフ・モードでは、AD8232 が各入力を個別にチェッ
クするため、切り離されている電極を表示することが可能です。
AD8232 は、対応する LOD−ピンまたは LOD+ ピンをハイ・レベ
ルにすることにより切り離されている電極を表示します。このモ
ードを使用するときは、AC/DC ピンをグラウンドへ接続します。
－ 18/27 －
AD8232
データシート
AC リード・オフ検出機能
AC リード・オフ検出モードは、2 つの電極のみを使用するときに
便利です (駆動電極の使用が不要)。この場合、2 つの電極の間に導
通パスの存在が必要です。このパスは通常 2 本の抵抗で構成され
ます (図 51 参照)。
これらの抵抗は、各入力でバイアス・リターン用のパスも提供し
ます。各抵抗を REFOUT または RLD へ接続して、各入力を計装
アンプの同相モード範囲内に維持してください。
+VS
17
IA
3
REFOUT
10866-050
10MΩ
8
SDN ピンをロー・レベルに駆動すると、AD8232はシャットダウ
ン・モードになって、電源電流が200 nA以下になって、消費電力
が節約されます。通常動作にするときは、 SDN をハイ・レベルに
します。この機能を使わないときは、SDN を+VSに固定接続しま
す。
シャットダウン動作時、AD8232 は REFOUT 電圧を維持できませ
んが、REFIN 電圧から電流が流れないため、電源からグラウンド
へのこの追加導通パスが維持されます。
シャットダウン状態から戻るとき、ハイパス・フィルタのコンデ
ンサに蓄えられた電荷が計装アンプと後続ステージを飽和させる
ことがあります。高速回復機能を使うと、回復時間の短縮に役立
つため、消費電力に厳しいアプリケーションでオン時間が削減さ
れます。
2
10MΩ
電源をオンにしたままシャットダウン・モードに切り替えること
ができます。
入力保護
図 51. AC リード・オフ検出機能の回路構成
AD8232 は、100 kHz の小さい電流を入力端子に流して電極が切り
離されたタイミングを検出します。この電流が外付け抵抗を IN+
から IN−へ流れて、入力間に差動電圧が発生し、これを同期的に
検出して、内部スレッショールドと比較します。これらの外付け
抵抗の推奨値は 10 MΩ です。抵抗値が小さいと、差動電圧降が下
小さくて検出できず、さらにアンプ入力インピーダンスも小さく
なります。電極を対象に接触させる場合、電圧降下をコンパレー
タのスレッショールドを下回るようにするため、このパスのイン
ピーダンスを 3 MΩ 以下にする必要があります。
DC リード・オフ検出モードとは反対に、AD8232 は電極の接触が
失われたことしか検出できません(どの電極か区別できません)。
この場合、LOD+ ピンがハイ・レベルになります。このモードで
は、LOD− ピンを使用しないため、ロー・レベルを維持します。
AC リード・オフ・モードを使用するときは、AC/DC ピンを正電
源レールへ接続します。
REFOUT は一定電圧値に維持しますが、RLD 出力を入力バイアス
として使うと、同相モード干渉を阻止するのに効果的です。
AD8232の全端子はESD保護されています。さらに、この入力構造
ではDC過負荷状態として正電源電圧の上へダイオード電圧1個分
と負電源電圧の下へダイオード電圧1個の電圧降下を許容してい
ます。電源のダイオード電圧を超える電圧ではESD ダイオードが
導通して、ダイオードに電流が流れます。このため、外付け抵抗
を各入力に直列に接続して、電源を超える電圧に対して電流を制
限する必要があります。いずれの場合でも、AD8232は室温で5
mAの連続電流を安全に処理することができます。
AD8232 に除細動器のような極めて大きな過負荷電圧が加わるアプ
リケーションでは、外付け直列抵抗やガス放電管 (GDT)を使用し
てください。一般にネオン・ランプが GDT の安価な代替品として
使われています。これらのデバイスは大きな電圧のアプリケーシ
ョンを処理できますが、AD8232 の絶対最大定格より低い電圧に維
持しません。完全なソリューションとしては、追加抵抗および
BAV199 や FJH1100 のような低リーク・ダイオード・クランプを
使って何れかの電源にさらにクランプする機能などがあります。
安全な対策として、入力ピンと対象に接続される電極との間に抵
抗を接続して電流が 10 µA を超えないようにします。 AD8232 の
電源電圧を 10 µA で除算した値に等しくなるようにこの抵抗値を
計算してください。
スタンバイ動作
AD8232には、低消費電力が重要な携帯型アプリケーションでの柔
軟性と使いやすさをさらに向上させるシャットダウン・ピン
(SDN)があります。 ロジック・レベル信号をこのピンに加えて、
Rev. A
－ 19/27 －
データシート
AD8232
無線周波数干渉(RFI)
のコンデンサはデバイスから離れたところに接続することができ
ます。多くの場合、このコンデンサは他の IC と共用することがで
きます。デカップリング容量が大き過ぎると、電源のオン／オフ
時に消費電力が大きくなることに注意してください。
強い無線周波数(RF)信号が存在するアプリケーションでは、RF の
整流がしばしば問題になります。問題は DC オフセット電圧とし
て出力に現れます。 AD8232 の各入力は、15 pF のゲート容量と
10 kΩ の抵抗を持っています。このため、各入力でローパス・フ
ィルタが構成されて、このフィルタによって外付け部品を追加す
ることなく高周波での整流が抑えられます (図 53 参照)。
+IN
–IN
CG
AD8232
IAOUT
10866-151
CG
DC 阻止アンプを本来の積分器としての代わりにフォロワとして
使用すると、計装アンプの入力換算オフセットは 100 倍に増幅さ
れます。
図 52.外付けコンデンサなしの RFI フィルタ
フィルタ機能を強化するため、各入力に直列に抵抗を追加するこ
とができます。これらの抵抗はできるだけ計装アンプ入力の近く
に配置する必要があります。これらの抵抗は、過負荷保護と患者
保護に使うものと同じ抵抗にすることができます。
電源のレギュレーションとバイパス
AD8232は、CR2032 タイプのような3 V バッテリ1個から直接電源
を供給するようにデザインされています。充電可能なリチウム・
インオ・バッテリでも動作できますが、充電時の電圧がAD8232の
絶対最大定格を超えることがあることに注意してください。デバ
イスの損傷を回避するため、電源スイッチまたはADP150のよう
な低消費電力ロー・ドロップアウト・レギュレータを使ってくだ
さい。
さらに、電源ピンのノイズは性能に悪影響を与えることに注意し
てください。すべてのリニア回路と同様に、バイパス・コンデン
サを使ってチップの電源をデカップリングする必要があります。
0.1 μF のコンデンサを電源ピンの近くに配置してください。1 µF
Rev. A
内部アーキテクチャの要請から、図 45 の HPA で示すように、計装
アンプは常に DC 阻止アンプと一緒に使用してください。
動作原理のセクションで説明するように、DC 阻止アンプは計装ア
ンプ入力に現れる入力換算オフセットを減衰させますが、これは、
DC 阻止アンプを積分器として使用する場合にのみ言えることで
す。この構成では、DC 阻止アンプからの入力オフセットが計装
アンプ出力に支配的に現れます。
10kΩ
10kΩ
入力換算オフセット
レイアウトの推奨事項
システム性能を最適化するためには優れたレイアウトが重要です。
低消費電力アプリケーションでは、大部分の抵抗値を大きくして
電源電流を小さくしています。大きい抵抗値を使用する際の問題
は、高インピーダンス・ノードがノイズ混入と容量や表面リーク
のようなボード寄生に弱くなることです。高インピーダンス・ノ
ード間のすべての接続をできるだけ短くしてノイズと誤差の混入
を避けて信号をクリーンに維持してください。
周波数に対して高い CMRR を維持するためには、入力パターンを
対称にし、長さを一致させる必要があります。安全抵抗と入力バ
イアス抵抗は、各入力の同じ位置に配置してください。さらに、
グラウンド・プレーンを使用すると、システムのノイズ除去比が
大幅に改善されます。
－ 20/27 －
AD8232
データシート
アプリケーション情報
電極オフセットの除去
AD8232 の計装アンプは、DC 付近の信号の増幅と除去を同時に行
うようにデザインされています。この機能を使って、小さい ECG
信号を 100 倍に増幅しますが、最大±300 mV の電極オフセットを
除去します。
オ フ セ ッ ト 除 去 を す る と き は 、 計 装 ア ン プ 出 力 (HPSENSE と
HPDRIVE)の間に RC 回路を接続します(図 53 参照)。
C
HPDRIVE
20
HPSENSE
f 3dB 
IAOUT
HPA
GM2
VCM
IN–
ELECTRODE
OFFSETS
S1
R
99R
C1
= REFOUT
この RC 回路は積分器を構成します。この積分器は DC 付近のすべ
ての信号を計装アンプへ戻してオフセットを除去し、ノードの飽和
なしで高い信号ゲインを維持します。
計装アンプ入力に現れるオフセットの阻止の他に、この積分器は
ベースライン変動のような低速移動信号の影響を小さくするハイ
パス・フィルタとしても機能します。このフィルタのカットオフ
周波数は次式で与えられます。
AD8232 では高次のハイパス・フィルタを実現することができま
す。フィルタ次数が高いほど、ノイズ除去比は良くなりますが、
信号歪みが大きくなり、プリント回路ボード (PCB)上の受動部品が
増えます。
2 極ハイパス・フィルタ
計装アンプ出力にシンプルな AC 結合 RC を追加すると、2 極アー
キテクチャを実現することができます(図 55 参照)。
C1
1
ここで、R は Ω、C は F(ファラッド)です。
2
このフィルタ・カットオフは、1 極フィルタで一般に期待される
値の 100 倍であることに注意してください。計装アンプの帰還ア
ーキテクチャのため、計装アンプ・ゲインを 100 にして一般的な
フィルタ・カットオフの式を変更します。
3
MAGNITUDE (dB)
HPA
S1
10kΩ
SW
10kΩ
R2
S2
REFOUT 8
= REFOUT
図 55.2 極ハイパス・フィルタの回路図
C2 の右側が SW 端子に接続されることに注意してください。S1
と同様に、R2 に並列に 10 kΩ を接続すると、S2 はこの AC 結合回
路の回復時間を短縮します。スイッチ・タイミングとトリガ条件
については、高速回復回路 のセクションを参照してください。
40
30
この受動回路がバッファされない場合、Sallen-Key フィルタ回路
のような後段のローパス・フィルタ入力では出力インピーダンス
が高くなることに注意してください。部品を注意深く選択すると、
バッファなしでも良い結果が得られます。部品の選択については、
ローパス・フィルタとゲイン のセクションを参照してください。
20dB PER
DECADE
0.1
1
10
FREQUENCY (Hz)
100
10866-153
10
図 54.1 極 DC 阻止回路の周波数応答
Rev. A
IAOUT
–IN
50
0
0.01
6
19
HPSENSE
+IN
TO NEXT
STAGE
C2
R1
20
HPDRIVE
100

2 RC
20
1
200 C
ハイパス・フィルタ
図 53.電極オフセットの除去
f 3dB
(1)
カットオフが高いほど、セトリング・タイムが短くなり、ECG 信
号の回復が高速になります。詳細については、高速回復回路のセ
クションを参照してください。
10kΩ
10866-253
GM1
3
100(R  10 4 )
2 RC (10 4 )
R 値が 100 kΩ より大きい場合、式 1 は次式で近似できます。
19
IN+
2
f 3dB 
10866-053
1
R
低い周波カットオフを持つハイパス・フィルタの場合のように、
DC オフセットの高速変化には長い整定時間が必要です。 このよ
うな変化により計装アンプ出力が飽和すると、S1 スイッチが 10
kΩ 抵抗パスを短時間イネーブルするため、カットオフ周波数が
次の値へ移動します。
－ 21/27 －
AD8232
データシート
その他のハイパス・フィルタ・オプション
前のセクションで説明した回路の他に、低周波信号の除去比を大
きくするため DC 阻止回路に極を追加することができます。この
構成を図 56 に示します。
R1
TO NEXT
STAGE
R2
C1
R1
RCOMP
RCOMP
20
IAOUT
HPA
+IN
S1
10kΩ
1
6
19
HPSENSE
HPDRIVE
SW
10kΩ
6
19
IAOUT
HPA
10kΩ
SW
10kΩ
C2
+IN
S2
S1
C2
R3
S2
2
2
3
20
HPSENSE
3
REFOUT 8
10866-155
= REFOUT
REFOUT 8
–IN
–IN
10866-156
1
HPDRIVE
TO NEXT
STAGE
C3
R2
= REFOUT
図 57.3 極ハイパス・フィルタの回路図
図 56.別の 2 極ハイパス・フィルタの回路図
60
この回路のもう 1 つの利点は、小さい R と C の値でカットオフ周
波数を低くすることができ、抵抗 RCOMP を使ってフィルタの Q を
制御して狭いバンドパス・フィルタ (心拍検出用) または最平坦通
過帯域 (心臓モニタ用)を実現できることです。
40dB PER
DECADE
MAGNITUDE (dB)
40
この回路では、フィルタ減衰量が非常に低い周波数で 1 極ロー
ル・オフに戻ります。初期ロール・オフが 40 dB/ディケードであっ
たため、フィルタの帯域外低周波信号の除去能力に対する 20 dB/デ
ィケードへのこの戻りの影響は小さくて済みます。
所望のフィルタ性能を実現するため、別の値を選択することもで
きます。デザイン・プロセスを簡素化するため、部品選値択の開始
点として次の推奨事項を使ってください。
20
0
–20
–40
R1 = R2 ≥ 100 kΩ
40dB PER
DECADE
–60
0.01
C1 = C2
60dB PER
DECADE
20dB PER
DECADE
THREE-POLE FILTER
TWO-POLE FILTER
0.1
1
10
FREQUENCY (Hz)
RCOMP = 0.14 × R1
100
10866-157
C1
低周波除去比をさらに大きくする場合は、計装アンプ出力に AC 結
合回路を追加して、高次ハイパス・フィルタを構成することがで
きます(図 57 参照)。SW 端子を AC 結合回路に接続すると、高速回
復が必要な場合最適なセトリング・タイム応答が得られます。
図 58.図 56 と図 57 の回路の周波数応答
カットオフ周波数は、
10
fC 
2 R1 C1 R2 C2
RCOMP 値を他の 2 本の抵抗の 0.14 倍に選択すると、フィルタは最平
坦通過帯域用に最適化されます。この値を小さくすると、Q が大
きくなって、フィルタのピーキングが大きくなります。RCOMP 値
を非常に小さくすると、不安定な回路になることに注意してくだ
さい。これらの基準に従って値を選択すると、図 58 に示すような
伝達関数になります。
すべての部品値の慎重な解析と調整が、フィルタ特性の最適化の
ために推奨されます。RCOMP 値を小さくしてアクティブ・フィルタ
のピーキングを大きくし、AC 結合回路の追加によるロール・オフ
の増加を克服することは、有効なヒントになります。適切な調整
により最平坦通過帯域が得られます。
ハイパス・フィルタのデザインには、信号歪み、部品数、低周波
除去比、部品サイズの間にトレードオフがあります。例えば、1 極
ハイパス・フィルタにより信号に対する最小歪みが得られますが、
推奨フィルタ・オプションに比較すると、低周波除去比は最小に
なります(表 4 参照)。
表 4.ハイパス・フィルタ・オプションの比較
Figure 53
Figure 55
Figure 56
Figure 57
Filter Order
Component Count
Low Frequency Rejection
Capacitor Sizes/Values
Signal Distortion1
Output Impedance2
1
2
2
3
2
4
5
7
Good
Better
Better
Best
Large
Large
Smaller
Smaller
Low
Medium
Medium
Highest
Low
Higher
Low
Higher
1
等価なコーナー周波数位置の場合。
2
出力インピーダンスは、ローパス・フィルタの前にあるハイパス・フィルタの駆動能力を意味します。ローパス・フィルタとゲイン のセクションで説明したように、
ローパス・フィルタ値の選択の柔軟性のために、低出力インピーダンスが望まれます。
Rev. A
－ 22/27 －
AD8232
データシート
ローパス・フィルタとゲイン
AD8232 は、ゲインの追加とフィルタ機能の強化に使用できる汎
用オペアンプを内蔵しています。高次フィルタが不要なアプリケ
ーションの場合、シンプルな RC ローパス・フィルタで十分であ
るため、オペアンプはバッファまたは信号の増幅に使うことがで
きます。
R
A1
FILTERED
SIGNAL
A/D コンバータの駆動
C
10866-158
REFOUT
これらの 2 つのフィルタ・ステージをバッファなしで適切に接続
するためには、R1 値を AC 結合回路の抵抗値(図 55 の R2)の少な
くとも 10 倍にします。
図 59.1 極ローパス・フィルタの回路図とゲイン追加
急なロール・オフまたはシャープなカット・オフを必要とするア
プリケーションでは、Sallen-Key フィルタ回路を実現することが
できます (図 60 参照)。
AD8232 は容量負荷駆動能力を持つため、バッファ追加なしの
ADC 駆動に最適ですが、ADC の入力アーキテクチャに応じて、ス
イッチド・キャパシタ入力型の最新 ADC からの過渡電圧をデカ
ップリングするためにシンプルなローパス RC 回路が必要になる
ことがあります。この RC 回路は、ノイズと折り返しの除去に役
立つ追加フィルタとしても機能します。R 値と C 値の選択につい
ては、ADC データ・シートの推奨ガイドラインに従ってください。
AD8232
A1
C1
10
R
ADC
C
FROM IN-AMP
STAGE
R1
R2
A1
FILTERED
SIGNAL
図 61.ADC の駆動
R3
駆動電極
R4
10866-159
C2
REFOUT
図 60.2 極ローパス・フィルタの回路図
ローパス・カット・オフ周波数、ゲイン、Q は次式で与えられます。
fC = 1/(2π√(R1 C1 R2 C2))
R1  C1  R2  C2
R1 C2  R2  C 2  R1 C11  Gain
ゲインを変えると Q に影響を与えます。逆も成立します。一般的
な Q の値は、ピーキング回避の場合 0.5 で、最平坦性とシャープ
なカットオフの場合 0.7 です。狭帯域アプリケーションでは大き
な Q 値を使って、ピーキングとバンドパス・フィルタの選択性を
大きくすることができます。
一般的なデザイン手順では、 R1 = R2 = R かつ C1 = C2 = C とします。
これによりカットオフ周波数と Q の式は次のように簡素化されます。
fC = 1/(2πRC)
Q
駆動リード (すなわちリファレンス電極) は、電源ラインやその他
の干渉源からの同相モード電圧の影響を抑えるためによく使用さ
れます。AD8232 は計装アンプ入力から同相モード電圧を取り出
し、これを RLD アンプから使用できるようにして、患者への反対
信号を駆動します。この機能は、患者と AD8232 との間の電圧を
ほぼ一定に維持して、同相モード除去比を大幅に向上させます。
安全対策として、RLD ピンと対象に接続される電極との間に抵抗
を接続して電流が 10 µA を超えないようにします。 AD8232 の電
源電圧を 10 µA で除算した値に等しくなるようにこの抵抗値を計
算してください。
Gain = 1 + R3/R4
Q
1
3  Gain
R3 と R4 を使ってゲインを設定して Q を制御できますが、これに
よりゲインは 3 より小さく制限されます。ゲイン値が 3 以上では、
回路が不安定になります。高いゲインを可能にするシンプルな変
更は、C2 値を少なくとも C1 値の 4 倍にすることです。
AD8232 は、内蔵 150 kΩ 抵抗とこの電極を駆動する外付けコンデ
ンサにより構成される積分器を構成します。積分器コンデンサの
選択は、電源ノイズ除去能力と安定性との間のトレードオフにな
ります。ライン周波数の 50 Hz と 60 Hz 付近で、ループ・ゲインを
できるだけ大きくするため、このコンデンサは小さくする必要が
あります。安定性のため、積分器ゲインはループ内の他のすべて
の極(患者の容量や安全抵抗で形成)の周波数で 1 より小さくする
必要があります。 推奨アプリケーション回路では 1 nF のコンデン
サを使用し、ループ・ゲインがライン周波数で約 20、クロスオー
バー周波数が約 1 kHz となっています。
2 ピン構成では、RLD アンプを使って入力のバイアス電流抵抗を
駆動することができます。真の駆動電極ほど効果はありませんが、
検出電極インピーダンスが小さくて整合している場合、この構成
は同相モード除去比を改善させます。
前のステージの出力インピーダンスが Sallen-Key フィルタの入力
Rev. A
10866-261
FROM IN-AMP
STAGE
インピーダンスよりかなり小さい場合にのみ、これらのデザイン
式が成立することに注意することは重要です。これは、計装アン
プ出力とバッファなしのローパス・フィルタ入力との間に AC 結
合回路を使用する場合には当てはまりません。
－ 23/27 －
AD8232
データシート
アプリケーション回路
心臓近くでの心拍測定
装着可能運動機器の場合、AD8232 は一般に心臓近くのポッド内に
置かれます。2 つの検出電極は胸筋の下に置かれ、駆動電極は使用
されません。心臓と AD8232 との間の距離は小さいため、心臓の
信号は強いので筋干渉はありません。
この構成では、スペースが重要です。外付け部品をできるだけ少
なくして、図 62 の回路サイズを最適化します。
この構成の入力端子では 2 本の 180 kΩ 抵抗を使用して、ユーザを
故障状態から保護します。2 本の 10 MΩ 抵抗は入力バイアスを提
供します。布電極のような高い出力インピーダンスを持つ電極に
は大きな値を使用してください。
回路図には、ミッドスケール・リファレンス電圧を設定する 2 本
の 10 MΩ 抵抗も示してあります。使用可能なリファレンス電圧が
ある場合、REFIN 入力に接続すると、これら 2 本の 10 MΩ 抵抗
は不要になります。
0.22µF
運動機器アプリケーション: 手での心拍測定
180kΩ
10MΩ
このアプリケーションでは、心拍信号をステンレス電極を使って
手で測定します。ユーザの腕と上半身の動きにより、大きなモー
ション副作用が発生するため、リードが長いと、システムは同相
モード干渉に弱くなります。心臓信号と干渉を分離するために非
常に狭いバンドパス特性が必要になります。
HPSENSE
10MΩ
+IN
IAOUT
–IN
REFIN
+VS
RLDFB
+VS
10MΩ
0.1µF
10MΩ
0.1µF
1nF
RLD
SW
GND
AD8232
+VS
0.22µF
FR
OPAMP+
AC/DC
REFOUT
SDN
OPAMP–
LO+
OUT
LO–
10MΩ
+VS
10MΩ 180kΩ
LA
TO DIGITAL
INTERFACE
180kΩ
RA
0.22µF
SIGNAL
OUTPUT
360kΩ
RL
HPDRIVE
10MΩ
IAOUT
–IN
REFIN
1MΩ
1nF
AD8232 と心臓との間の距離が短いため、このアプリケーション
は同相モード干渉に強くなりますが、電極を駆動するために RLD
を使用しないので、10 MΩ のバイアス抵抗を介してミッドスケー
ル電圧を維持することにより、同相モード除去比の改善のために
RLD を使用することができます。
1 極ハイパス・フィルタを 7 Hz に設定し、ローパス・フィルタは
使用しません。出力オペアンプではゲインが不要なため、全体シ
ステム・ゲイン 100 に対して抵抗数が少なくなります。
70
60
3.3nF
GND
AD8232
+VS
FR
OPAMP+
AC/DC
REFOUT
SDN
OPAMP–
LO+
OUT
LO–
22nF
1MΩ
TO DIGITAL
INTERFACE
SIGNAL OUTPUT
図 64.手での心拍測定の回路
図 64 の回路では、7 Hz に設定された 2 極ハイパス・フィルタを
使用しています。24 Hz の 2 極ローパス・フィルタが、ハイパ
ス・フィルタの後ろに使用され、その他の副作用とライン・ノイ
ズを除去します。
70
60
40
50
30
MAGNITUDE (dB)
20
10
10
100
1k
FREQUENCY (Hz)
10k
30
20
10866-057
1
40
10
図 63.心臓近くの HRM 回路の周波数応答
0
0.1
1
10
100
FREQUENCY (Hz)
図 65.手で取得する HRM 回路の周波数応答
Rev. A
－ 24/27 －
1k
10866-059
MAGNITUDE (dB)
0.1µF
10MΩ
100kΩ
50
0
0.1
10MΩ
0.1µF
RLD
1MΩ
100kΩ
+VS
+VS
RLDFB
SW
図 62.心臓近くでの心拍測定回路
HPSENSE
+IN
10866-262
10MΩ
HPDRIVE
180kΩ
10866-161
ELECTRODE
INTERFACE
AD8232
データシート
このフィルタ組み合わせ全体の狭帯域性により、ECG 波形は大き
な歪を受けます。このため、心拍の測定のみに適し、ECG 信号特
性の解析には適しません。
ローパス・フィルタ・ステージには 11 のゲインが含まれているた
め、全体システム・ゲインは 1100 近くになります (フィルタのロ
ール・オフのためにこの値が最大ゲインに到達しないことに注意
してください)。ECG 信号を手で測定するため、心臓に近い場所
で測定する場合より弱くなります。
RLD 回路が 3 つ目の電極(これも手にあります)を駆動して同相モ
ード干渉を相殺させます。
心臓モニタの構成
この構成は、ECG 波形の形状をモニタするようにデザインされて
います。患者は測定中比較的安静を維持しているので、モーショ
ン副作用は問題にならないものと想定します。
0.33µF
+VS
0.33µF
REFOUT
10MΩ
10MΩ
LA
HPDRIVE
180kΩ
180kΩ
RA
HPSENSE
360kΩ
IAOUT
–IN
REFIN
+VS
RLD
1MΩ
+VS
10MΩ
0.1µF
10MΩ
0.1µF
1nF
SW
1MΩ
1.4MΩ
10MΩ
+IN
RLDFB
RL
10MΩ
AD8232
OPAMP+
AC/DC
REFOUT
SDN
OPAMP–
LO+
OUT
LO–
+VS
10nF
100kΩ
1MΩ
TO DIGITAL
INTERFACE
10866-266
1.5nF
モーション副作用除去機能付きの携帯型心臓モニ
タ
図 68 に、Holter モニタのような患者が適度の運動を行うアプリケ
ーションで心拍をモニタするバッテリ駆動組込みシステムの回路
を示します。AD8232 は 3 電極の患者インターフェースを使用し、
カットオフ周波数 0.3 Hz の 2 極ハイパス・フィルタとカットオフ
周波数 37 Hz の 2 極ローパス・フィルタを使っています。通過帯
域の総合信号ゲインは 400 です。フル・コンデショニングされた
信号が、低消費電力マイクロコントローラ ADuCM360 に内蔵され
たシグマ・デルタ ADC でサンプリングされます。この ADC は広
いダイナミックレンジを持つため、電極位置に応じて飽和を回避
するため信号ゲインを小さくする柔軟性を提供します。
移動用アプリケーションに対して通過帯域が比較的広いため、
ADXL346 加速度計の信号を使って患者のモーションから発生す
るノイズをさらに小さくしています。さらに、マイクロコントロ
ーラがモーション情報を使って活動停止をモニタしてシステム・
シャットダウンを発行し、バッテリ電力を節約します。
ロー・ドロップアウト・レギュレータは、特にリチウム・イン
オ・セルの場合バッテリ充電時に、最大 3 V を超えないようにし
ます。
GND
FR
40 Hz フィルタの他に、オペアンプ・ステージをゲイン = 11 に設
定して、総合システム・ゲイン = 1100 を得ています。システムの
ダイナミックレンジを最適化するため、入力信号振幅 (電極位置
に応じて変化します)と ADC 入力範囲に応じて、ゲイン・レベル
を調整可能にします。
SIGNAL OUTPUT
図 66. ECG 波形モニタ回路
歪みの小さい ECG 波形を取得するため、AD8232 を 0.5 Hz の 2 極
ハイパス・フィルタとそれに続く 2 極 40 Hz のローパス・フィル
タに構成します。3 つ目の電極は、最適な同相モード除去比を得
るために駆動します。
このアプリケーションでは、ADuCM360 はポート 0 を使ってホス
ト通信インターフェースとの間、または後の転送用に波形を記録
する場合にはボード上のメモリとの間で DMA 転送を行います。
ただし、特定のアプリケーションでは、このポートを最も頻繁に
使用されるインターフェースに使って CPU サイクル数を削減し、
低消費電力動作を維持します。
この回路は AD8232 とその他のシステム部品の機能をデモンスト
レーションするために示したものであることに注意してください。
完全なシステム・デザインではないため、規制当局の医用安全性
ガイドラインに準拠するためには追加努力が必要です。
70
60
MAGNITUDE (dB)
50
40
30
20
0
0.01
0.1
1
10
100
FREQUENCY (Hz)
1k
10866-061
10
図 67.心臓モニタ回路の周波数応答
Rev. A
－ 25/27 －
AD8232
データシート
+VS
4.7µF
10MΩ
10MΩ 180kΩ
LA
ELECTRODE
INTERFACE
180kΩ
RA
4.7µF
360kΩ
RL
HPDRIVE
+IN
IAOUT
–IN
REFIN
1nF
+VS = +2.8V
10MΩ
1µF
+VS
10MΩ
1µF
VBATT
0.1µF
0.1µF
AD8232
OPAMP+
FR
+VS
SDN
P0.6/IRQ2
P1.2
P1.7/CS0
OPAMP–
OUT
LO+
LO–
ADXL346
ADuCM360
AC/DC
6.8nF
REFOUT
1MΩ
VIN
GND
10MΩ
332kΩ
2.7nF
ADP150x-2.8
VOUT
GND
RLD
1MΩ
100kΩ
+VS
RLDFB
SW
1MΩ
HPSENSE
P1.1
P1.0
INT2
VS
CS
P1.6/MOSI0
SDO/ALT_ADD
P1.4/MISO0
SDA/SDI/SDIO
P1.SCLK0
+VS
VDDIO
1µF
GND
SCL/SCLK
AIN0
+VS
4.7µF
VREF+
REG_DVDD
AVDD_REG
AVDD
P0.3/CS1
CS
P0.0/MISO1
TX
VREF–
P0.2/MOSI1
RX
GND
P0.1/SCLK1
CLK
IOVDD
図 68.低消費電力携帯型心臓モニタ
Rev. A
0.47µF
－ 26/27 －
0.47µF
TO HOST,
MEMORY
OR
DISPLAY
10866-163
AIN1
AD8232
データシート
パッケージとオーダー情報
外形寸法
PIN 1
INDICATOR
4.10
4.00 SQ
3.90
0.30
0.25
0.20
20
16
15
0.50
BSC
1
EXPOSED
PAD
5
PIN 1
INDICATOR
2.65
2.50 SQ
2.35
11
0.80
0.75
0.70
0.50
0.40
0.30
BOTTOM VIEW
0.05 MAX
0.02 NOM
COPLANARITY
0.08
0.20 REF
SEATING
PLANE
6
0.25 MIN
FOR PROPER CONNECTION OF
THE EXPOSED PAD, REFER TO
THE PIN CONFIGURATION AND
FUNCTION DESCRIPTIONS
SECTION OF THIS DATA SHEET.
COMPLIANT TO JEDEC STANDARDS MO-220-WGGD.
061609-B
TOP VIEW
10
図 69.20 ピン・リードフレーム・チップ・スケール・パッケージ[LFCSP_WQ]
4 mm × 4 mm ボディ、超極薄クワッド
(CP-20-10)
寸法: mm
オーダー・ガイド
Model1
Temperature Range
Package Description
Package Option
AD8232ACPZ-R7
AD8232ACPZ-RL
AD8232ACPZ-WP
AD8232-EVALZ
−40°C to +85°C
−40°C to +85°C
−40°C to +85°C
20-Lead Lead Frame Chip Scale Package [LFCSP_WQ]
20-Lead Lead Frame Chip Scale Package [LFCSP_WQ]
20-Lead Lead Frame Chip Scale Package [LFCSP_WQ]
Evaluation Board
CP-20-10
CP-20-10
CP-20-10
1
Z = RoHS 準拠製品
Rev. A
－ 27/27 －