對消驅(qū)動提高心電信號測量共模抑制的原理分析

心電信號是人體特定的點(diǎn)與點(diǎn)之間的差模電壓，信號幅度在0.5mV~8mV 之間，典型值為1mV。心電受到的工頻干擾非常強(qiáng)，一般情況下人體的工頻幅值在V 級，比心電信號大3 個數(shù)量級，工頻干擾常以共模形式出現(xiàn)。

在如此強(qiáng)的工頻干擾中檢測出微弱的心電信號是一大挑戰(zhàn)，這就要求運(yùn)放具有很高的共模抑制比，一般要求在60~120dB 之間，太低了影響心電圖機(jī)性能，太高的運(yùn)放成本上會讓人難以接受。采用高共模抑制比的前置放大器，如在50Hz 時80dB 共模抑制比的儀表放大器是屬于性能比較好的產(chǎn)品，這樣工頻干擾的幅值還是達(dá)到了信號幅值的十分之一，對于醫(yī)生診斷來說是不能接受的，心電圖機(jī)普遍采用對消驅(qū)動電路來進(jìn)一步增強(qiáng)共模抑制能力。

1 《GW-44_AAMI_EC13-2002》心臟監(jiān)測儀專用標(biāo)準(zhǔn)

U2A 和R9，R10，R11，C7 共同組成了右腿驅(qū)動電路，其原理是通過R6，R7 從人體取出共模電壓反向加到人體。下面我們通過公式來說明對消驅(qū)動的作用，計(jì)算中忽略C5，C6，U1A,U1B 的誤差對共模抑制比的影響，同時R10 和C7 是為了系統(tǒng)穩(wěn)定而設(shè)計(jì)的，不影響低頻時共模抑制比的計(jì)算，計(jì)算時忽略，公式推導(dǎo)如下：

U1A，U1B 作用是阻抗變換的跟隨器，有：

Vcom=Vin (1)

U2A 組成了一個反向放大器，其傳遞函數(shù)為：

Vout =?(R9?Vcom) R8 (2)

根據(jù)基爾霍夫電流定律有：

(V1?Vin)? jwC11

Vin? jwC2+(Vin?Vout ) R11 (3)

得到Vin 傳遞函數(shù)為：

Vin=R8?R11?JWC2/

( R8?R11? jwC1+R8?R11? jwC2

jwC1? jwC2?R8+ jwC1? jwC2?R9) (4)

帶入常用電路的典型參數(shù)：

R8=10kΩ，R11=100kΩ，R9=1M，C2=100pf 不考慮電容的相位影響，略去極小項(xiàng)則：

Vin=R8?R11? jwC2/ (R8+R9) (5)

在以上參數(shù)下Vin 幅值為：

Vin=1/ 3000=?69dB (6)

按照上述參數(shù)設(shè)計(jì)的右腿驅(qū)動電路理論上可以提供69dB 的共模抑制比，這是一個對消驅(qū)動簡化模型，實(shí)際電路中考慮到阻容的誤差，濾波電容對相位的影響，運(yùn)放的延遲等等，右腿驅(qū)動的共模抑制能力會劣化甚至產(chǎn)生震蕩，具體的電路需要根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

圣邦微電子在對消驅(qū)動電路上做了很多驗(yàn)證工作，如器件的選擇、線路板設(shè)計(jì)、電源結(jié)構(gòu)等，在本篇文檔不再詳述，請參考圣邦相關(guān)技術(shù)資料。按照圖1 所示電路制作了驗(yàn)證板，實(shí)測共模抑制比為50dB，這樣我們選擇一顆共模抑制比60dB 以上的集成或分立器件搭成的儀表放大器，整個系統(tǒng)就可以達(dá)到89dB1的標(biāo)準(zhǔn)要求。