心电检测是在强共模干扰下的微弱信号检测,为了提高电路的共模抑制比,常采用对消驱动电路(右腿驱动)来提高共模抑制比,本文分析了对消驱动电路的原理,结合实际电路实际验证电路的效果。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。
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: Vcom=Vin (1) U2A 组成了一个反向放大器,其传递函数为: Vout =−(R9∗Vcom)/ R8 (2)
(V1−Vin)∗ jwC11 = Vin∗ jwC2+(Vin−Vout )/ R11 (3) 得到Vin 传递函数为: Vin=R8∗R11∗JWC2/ ( R8∗R11∗ jwC1+R8∗R11∗ jwC2 + jwC1∗ jwC2∗R8+ jwC1∗ jwC2∗R9) (4)
R8=10kΩ,R11=100kΩ,R9=1M,C2=100pf
Vin=R8∗R11∗ jwC2/ (R8+R9) (5)
Vin=1/ 3000=−69dB (6)
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,在本篇文档不再详述,请参考圣邦相关技术资料。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89dB1的标准要求。 |