高增益低噪聲心電放大器的設計與分析

摘要：

從體表獲得的心電信號經(jīng)導聯(lián)輸入后，由模擬多路開關進行切換，經(jīng)前置放大器放大及濾波器濾除高頻干擾后，再經(jīng)一個50Hz陷波器進一步抑制電源干擾，然后通過電平位移進入A/ D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字化的心電信號。以BiFET LF411型運放構(gòu)成的前置放大器和以有源高通-低通濾波器為主要部件的高性能心電放大器可實現(xiàn)輸出電壓高增益、低噪聲、高靈敏度，保證心電信號清晰穩(wěn)定，滿足臨床監(jiān)護以及病理分析的要求。

0引言

人體心肌產(chǎn)生的電信號傳導到體表之后，由于在體表分布的不同而產(chǎn)生電位差，將這種電壓只有mV級別的電位差放大并繪制成圖，就得到了心電圖（ Elect rocardiog ram，簡稱ECG）。心電放大器即心電圖信號放大器。將Ag-AgCl電極貼在病人的左臂、右臂和大腿上，通過導聯(lián)輸入心電信號，經(jīng)放大與濾波、A/ D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字化的心電信號，將該信號送入單片機系統(tǒng)，最后通過人機接口電路將心電波形顯示在LCD屏幕上，或通過RS232接口將心電波形數(shù)據(jù)輸入到微機中供醫(yī)生分析診斷。心電放大器性能的高低在心電圖的測試過程中尤為重要。

1心電放大器設計方案

心電放大器的基本電路組成如圖1所示。

從體表獲得的心電信號經(jīng)導聯(lián)輸入后，由模擬多路開關進行切換，選中的那一路ECG信號經(jīng)BiFET LF411型運放構(gòu)成的前置放大器放大，濾波器濾除其中的高頻干擾后，再經(jīng)一個50Hz陷波器進一步抑制電源干擾，然后通過電平位移進入A/ D轉(zhuǎn)換，從而得到數(shù)字化的心電信號。心電放大器模擬部分電路如圖2所示。

圖2所示電路是在零偏置條件下工作，因此輸出信號幅值有正有負，再用加法器將雙端信號位移，使之成為單端信號，然后進入AD采樣電路。

1. 1前置放大器

電極采集到的心電信號幅值在50LV~ 5mV，頻率在0.05~ 200Hz，需要放大上千倍才能被觀察到，并且人體的內(nèi)阻比較大，因此一個高阻抗、高增益的放大器是準確獲取心電信號的關鍵。針對這一情況我們采用BiFET LF411運放構(gòu)成多級放大器，且各級增益均衡分配。

BiFET LF411運放是一種高精度、低漂移型差分輸入級電路，同時具有FET輸入阻抗高、BJT電壓增益高的優(yōu)點，其開環(huán)差模電壓增益A_VO為4*10⁵ ，差模輸入電阻R_id可達4*10¹¹歐，共模電壓增益A_VC為2，共模抑制比K_CMR為106dB.

由于體表液體與電極之間可能形成原電池，致使電極之間存在固定的電位差，因此第一級差分放大的增益不能太高，否則容易飽和。電路中A₁ ，A₂ ，A₃構(gòu)成三運放儀用放大器，它的差模電壓增益A_VO為40，共模電壓增益A_VC為7.948*10^-6 ，共模抑制比K CMR為134dB，即：

電路中選用對稱的電阻參數(shù)以保證儀用放大器有較好的抗共模干擾能力。為避免輸入端開路時放大器出現(xiàn)飽和狀態(tài)，在兩個輸入端到地之間分別串接兩個20M歐的電阻R₁₁、R₁₂ ，這樣還可以提高差模輸入阻抗，使其大于10⁷歐.

第二級后級放大采用同相放大電路，該級差模增益為25，從而能保證整個電路差模增益為1000倍左右。

1. 2濾波器

由于檢測信號中存在的主要干擾信號有電極板與人之間的極化電壓、50Hz工頻干擾、儀器內(nèi)部噪聲和儀器周圍電場、磁場、電磁場的干擾等等，要想獲得清晰穩(wěn)定的心電信號，濾波器的設計很關鍵，特別是50Hz的帶阻濾波器尤其重要。其中200Hz以上的干擾信號較強而0.05Hz以下的干擾信號相對較弱，所以在濾波電路中采取先低通濾波取出200Hz以下的信號，然后接高通的方式，從而濾除極化電壓及高頻干擾。在電路中A₄及電阻、電容組成帶通濾波器，同時使電路具有較高的輸出阻抗，其中高通濾波器由C₁、R₈構(gòu)成，低通濾波器由C₂、R₁₀構(gòu)成，則下限頻率為f_L = 1/（2πC₁R₈） = 0.048Hz，上限頻率為f_H = 1/（2πC₂R₁₀ ） = 200.95Hz.然而最為嚴重的干擾是市電電源的50Hz（部分國家為60Hz） ，因此還須一個50Hz的帶阻濾波器（又稱陷波器）進一步抑制電源干擾。常用的切比雪夫濾波器具有從通帶到阻帶能迅速衰減的特點，因此采用四階切比雪夫濾波器，通帶選擇在45~ 55Hz之間，其傳遞函數(shù)及對應差分方程為：

其對應的幅頻和相頻特性如圖3所示。

由圖3可見，帶阻濾波的選頻特性很好，當信號頻率等于特征頻率時，衰減幾乎到零，且相頻特性呈現(xiàn)±90^o突變的形式。

圖4是濾波前和濾波后的頻譜，可以看出，信號在50Hz處被很好的抑制了，濾波的效果非常理想，完全可以達到臨床實用的要求。濾波器對最終信號的質(zhì)量尤為重要，由于濾波器的性能對元器件的誤差相當靈敏，因此在這一級的設計中需要選用穩(wěn)定而精密的阻容原件，可串聯(lián)精密電位器以獲得較好的效果。

4電路調(diào)試

將心電放大器制作成印刷電路板（PCB板）并進行整機測試。測試結(jié)果如下：

差模電壓增益為1000，共模抑制比為80dB，差模輸入阻抗大于10⁷歐，通頻帶為0. 05~ 200Hz.測得的心電圖信號如圖5所示

可見心電信號清晰穩(wěn)定，完全能夠滿足臨床監(jiān)護以及病理分析的要求。

5結(jié)束語

要想獲得清晰穩(wěn)定的心電信號，心電放大器中前置放大器與濾波器的設計很關鍵，特別是50Hz的帶阻濾波器尤其重要。本文設計的以BiFET LF411型運放構(gòu)成的心電放大器可實現(xiàn)輸出電壓高增益、低噪聲、高靈敏度，保證心電信號清晰穩(wěn)定，滿足臨床監(jiān)護以及病理分析的要求。