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对消驱动电路提高共模抑制比的原理分析

  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。

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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,C6,1A,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)

  根据基尔霍夫电流定律有:

  (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)

  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:

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

  在以上参数下Vsub>in幅值为:

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

  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。

(本文来源:阿里巴巴)


(责任编辑: 姚仁杰 )

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