對(duì)消驅(qū)動(dòng)電路提高共模抑制比的原理分析

心電信號(hào)是人體特定的點(diǎn)與點(diǎn)之間的差模電壓，信號(hào)幅度在0.5mV~8mV之間，典型值為1mV。心電受到的工頻干擾非常強(qiáng)，一般情況下人體的工頻幅值在V級(jí)，比心電信號(hào)大3個(gè)數(shù)量級(jí)，工頻干擾常以共模形式出現(xiàn)。

在如此強(qiáng)的工頻干擾中檢測出微弱的心電信號(hào)是一大挑戰(zhàn)，這就要求運(yùn)放具有很高的共模抑制比，一般要求在60~120dB之間，太低了影響心電圖機(jī)性能，太高的運(yùn)放成本上會(huì)讓人難以接受。采用高共模抑制比的前置放大器，如在50Hz時(shí)80dB共模抑制比的儀表放大器是屬于性能比較好的產(chǎn)品，這樣工頻干擾的幅值還是達(dá)到了信號(hào)幅值的十分之一，對(duì)于醫(yī)生診斷來說是不能接受的，心電圖機(jī)普遍采用對(duì)消驅(qū)動(dòng)電路來進(jìn)一步增強(qiáng)共模抑制能力。

圖1:對(duì)消驅(qū)動(dòng)模型

U2A和R9，R10，R11，C7共同組成了右腿驅(qū)動(dòng)電路，其原理是通過R6，R7從人體取出共模電壓反向加到人體。下面我們通過公式來說明對(duì)消驅(qū)動(dòng)的作用，計(jì)算中忽略C5，C6，1A,U1B 的誤差對(duì)共模抑制比的影響，同時(shí)R10和C7是為了系統(tǒng)穩(wěn)定而設(shè)計(jì)的，不影響低頻時(shí)共模抑制比的計(jì)算，計(jì)算時(shí)忽略，公式推導(dǎo)如下：

U1A，U1B作用是阻抗變換的跟隨器，有：

Vcom=Vin (1)

U2A 組成了一個(gè)反向放大器，其傳遞函數(shù)為：

Vout=-(R9*Vcom)/R8 (2)

根據(jù)基爾霍夫電流定律有：

(V1-Vin)* jwC11=Vin* jwC2+(Vin-Vout )/R11 (3)

得到Vin傳遞函數(shù)為：

Vin=R8*R11*JWC2/(R8*R11* jwC1+R8*R11* jwC2+jwC1* jwC2*R8+ jwC1* jwC2*R9 ) (4)

帶入常用電路的典型參數(shù)：

R8=10kΩ，R11=100kΩ，R9=1M，C2=100pf不考慮電容的相位影響，略去極小項(xiàng)則：

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

在以上參數(shù)下Vsub>in幅值為：

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

按照上述參數(shù)設(shè)計(jì)的右腿驅(qū)動(dòng)電路理論上可以提供69dB的共模抑制比，這是一個(gè)對(duì)消驅(qū)動(dòng)簡化模型，實(shí)際電路中考慮到阻容的誤差，濾波電容對(duì)相位的影響，運(yùn)放的延遲等等，右腿驅(qū)動(dòng)的共模抑制能力會(huì)劣化甚至產(chǎn)生震蕩，具體的電路需要根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

圣邦微電子在對(duì)消驅(qū)動(dòng)電路上做了很多驗(yàn)證工作，如器件的選擇、線路板設(shè)計(jì)、電源結(jié)構(gòu)等，在本篇文檔不再詳述，請(qǐng)參考圣邦相關(guān)技術(shù)資料。按照?qǐng)D1所示電路制作了驗(yàn)證板，實(shí)測共模抑制比為50dB，這樣我們選擇一顆共模抑制比60dB以上的集成或分立器件搭成的儀表放大器，整個(gè)系統(tǒng)就可以達(dá)到89dB1的標(biāo)準(zhǔn)要求。