【新】利用对消驱动提高心电信号测量共模抑制的原理分析

2016-08-25 Sgmicro

心电信号是人体特定的点与点之间的差模电压,信号幅度在0.5mV~8mV 之间,典型值为1mV。心电受到的工频干扰非常强,一般情况下人体的工频幅值在V 级,比心电信号大3 个数量级,工频干扰常以共模形式出现。


在如此强的工频干扰中检测出微弱的心电信号是一大挑战,这就要求运放具有很高的共模抑制比,一般要求在60~120dB 之间,太低了影响心电图机性能,太高的运放成本上会让人难以接受。采用高共模抑制比的前置放大器,如在50Hz 时80dB 共模抑制比的仪表放大器是属于性能比较好的产品,这样工频干扰的幅值还是达到了信号幅值的十分之一,对于医生诊断来说是不能接受的,心电图机普遍采用对消驱动电路来进一步增强共模抑制能力。


图1:对消驱动模型


U2A 和R9,R10,R11,C7 共同组成了右腿驱动电路,其原理是通过R6,R7从人体取出共模电压反向加到人体。下面我们通过公式来说明对消驱动的作用,计算中忽略C5,C6,U1A,U1B 的误差对共模抑制比的影响,同时R10 和C7 是为了系统稳定而设计的,不影响低频时共模抑制比的计算,计算时忽略,公式推导如下:


U1A,U1B 作用是阻抗变换的跟随器,有:


U2A 组成了一个反向放大器,其传递函数为:


根据基尔霍夫电流定律有:


得到Vin 传递函数为:


带入常用电路的典型参数:
R8=10kΩ,R11=100kΩ,R9=1M,C2=100pf 不考虑电容的相位影响,略去极小项则:


在以上参数下Vin 幅值为:


按照上述参数设计的右腿驱动电路理论上可以提供69dB 的共模抑制比,这是一个对消驱动简化模型,实际电路中考虑到阻容的误差,滤波电容对相位的影响,运放的延迟等等,右腿驱动的共模抑制能力会劣化甚至产生震荡,具体的电路需要根据需要进行调整。


圣邦微电子在对消驱动电路上做了很多验证工作,如器件的选择、线路板设计、电源结构等,在本文不再详述。按照图1 所示电路制作了验证板,实测共模抑制比为50dB,这样我们选择一颗共模抑制比60dB 以上的集成或分立器件搭成的仪表放大器,整个系统就可以达到89dB的标准要求。


注释:89dB为《GW-44_AAMI_EC13-2002》 心脏监测仪专用标准

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  • 三3三 Lv7 . 资深专家 2017-09-06
    没有方案啊
  • 闭门造车 Lv2 . 工程师 2017-08-10
    公式3写错了
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