精密低功耗：了解生物電位信號(hào)鏈中的CMRR和RLD

首先，我們談?wù)劦谌齻€(gè)電極在偏置中的用途。由于生物電勢(shì)信號(hào)和干擾源是完全差分的，理想情況下，測(cè)量電極的電路需要偏置在接近中間電源的某個(gè)地方。還應(yīng)考慮電路的共模輸入范圍。在雙電極溶液中，主體浮動(dòng)到某個(gè)未知電位，因此必須添加電阻以向輸入提供直流偏置以及輸入偏置電流返回路徑。

在上一篇博文中，我們展示了使用AD4130-8的直流耦合生物電位配置，并參考了用于將主體偏置至中間電源的第三個(gè)電極。我們提到這不是真正的右腿驅(qū)動(dòng)（RLD），這對(duì)于電池供電的解決方案可能是可以接受的。今天的帖子將闡明為什么會(huì)這樣，以及使用三個(gè)電極與兩個(gè)電極進(jìn)行單通道生物電位測(cè)量有哪些好處。
輸入偏置
首先，我們談?wù)劦谌齻€(gè)電極在偏置中的用途。由于生物電勢(shì)信號(hào)和干擾源是完全差分的，理想情況下，測(cè)量電極的電路需要偏置在接近中間電源的某個(gè)地方。還應(yīng)考慮電路的共模輸入范圍。在雙電極溶液中，主體浮動(dòng)到某個(gè)未知電位，因此必須添加電阻以向輸入提供直流偏置以及輸入偏置電流返回路徑。這導(dǎo)致測(cè)量電極的電路的輸入阻抗降低。通過(guò)添加第三個(gè)電極，輸入可以通過(guò)穿過(guò)主體的低阻抗路徑設(shè)置為相同的直流偏置，而無(wú)需額外的組件，從而保持高輸入阻抗。請(qǐng)參閱下面圖 1 中的此比較。

圖 1 – 帶 2 個(gè)和 3 個(gè)電極的偏置輸入

共模抑制比 （CMRR）
在雙電位信號(hào)鏈中，典型的共模干擾源是來(lái)自交流電源的50/60Hz。身體充當(dāng)天線，這個(gè) 50/60Hz 信號(hào)可以顯示在電極上。雖然儀表放大器等元件的數(shù)據(jù)表上的CMRR規(guī)格很重要，但它只是系統(tǒng)CMRR的一部分。本數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格是比較共模信號(hào)增益（A厘米） 到差模信號(hào)的增益 （A分米):

理想情況下，共模增益非常小，CMRR應(yīng)該很高（例如100dB）。請(qǐng)務(wù)必查看典型性能曲線（TPC）以及CMRR與頻率的關(guān)系（參見(jiàn)圖8237中的AD2示例）。有時(shí)，數(shù)據(jù)表規(guī)格表僅提供直流時(shí)的 CMRR。

圖2 – 不同增益下AD8237的CMRR與頻率的關(guān)系

系統(tǒng)共模抑制比
影響整個(gè)系統(tǒng)CMRR的其他因素包括共模（CM）到差模（DM）轉(zhuǎn)換以及隔離與非隔離解決方案。我們?cè)诘诙┛椭杏懻摿薈M到DM的轉(zhuǎn)換，當(dāng)時(shí)在最前端討論了交流耦合。進(jìn)行差分測(cè)量時(shí)，任何接觸輸入的東西都需要平衡。這包括偏置電阻器、RFI 濾波器、電纜、連接器、印刷電路板，甚至電極本身。圖 3 顯示了一個(gè)示例，以及 CMRR 與頻率的關(guān)系如何受到影響。

圖 3 – 系統(tǒng)CMRR與頻率的失配效應(yīng)示例

為了模擬50/60Hz注入人體的情況，可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的電容分壓器，并用從主體到交流電源的電容（Ct）和從體到地的電容（Cb）來(lái)表示。非隔離電路在系統(tǒng)接地和接地之間將存在直接短路。隔離電路（如電池供電解決方案）在隔離接地和接地之間具有一定的雜散電容（C雜散），如圖4模型所示。您可以看到第三個(gè)電極（Ze3）的好處，因?yàn)樗峁┝藦闹黧w到地面的直接路徑，在電容分壓器周圍分流并降低測(cè)量電極（Ze50，Ze60）拾取的1/2Hz電壓。否則，在2電極溶液中，50/60Hz電流路徑通過(guò)Zc1和Zc2共模輸入阻抗。這導(dǎo)致輸入電極上的共模電壓較大，然后由于不匹配而轉(zhuǎn)換為差模。

圖 4 – 分離的 2 電極和 3 電極生物電位測(cè)量模型

右腿驅(qū)動(dòng)
右腿驅(qū)動(dòng)這個(gè)名字來(lái)自通常放置第三個(gè)電極的位置（離心臟最遠(yuǎn)）進(jìn)行心電圖測(cè)量。然而，第三個(gè)電極不限于這個(gè)位置。該電路通過(guò)檢測(cè)輸入端的共模（Vcm）、緩沖、反相（通常使用積分器電路）并驅(qū)動(dòng)回體內(nèi)來(lái)構(gòu)建。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反饋環(huán)路，其中50/60Hz時(shí)的較高環(huán)路增益可改善共模抑制。參見(jiàn)圖8233中推薦用于AD5的示例電路和積分器傳遞函數(shù)。積分器交越頻率設(shè)定為 ~1kHz。推到更高的頻率會(huì)增加不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)，因此這里有一個(gè)權(quán)衡。

圖5 AD8233 RLD積分器電路和傳遞函數(shù)示例

請(qǐng)注意，對(duì)于非隔離解決方案或較大值的Cstray（例如帶隔離的交流電源供電解決方案），該電路將更有效。隨著Cstray變小，隔離解決方案還將改善系統(tǒng)CMRR，允許電池供電的測(cè)量電路隨著共模上下移動(dòng)。