利用对消驱动提高心电信号测量共模抑制的原理分析

作者：吴英超

摘要

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，结合电路实际验证了电路的效果。

1 引言

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 60dB~120dB 之间，太低会影响心电图机性能，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。

2 对消驱动模型

如上图所示，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，则：

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)

根据基尔霍夫电流定律有：

(V1-Vin) * jwC1 = 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)

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

Vin = R8 * R11 * jwC2 / （R8 + R9）

在以上参数下 Vin 幅值为：

Vin = 1/3000 = -69dB

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。

3 结语

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， 在本应用指南中不再详述，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《GW-44_AAMI_EC13-2002》心脏监测仪专用标准中 89dB 的要求。