高增益低噪聲心電放大器的設(shè)計(jì)與分析

摘要：

從體表獲得的心電信號(hào)經(jīng)導(dǎo)聯(lián)輸入后，由模擬多路開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，經(jīng)前置放大器放大及濾波器濾除高頻干擾后，再經(jīng)一個(gè)50Hz陷波器進(jìn)一步抑制電源干擾，然后通過(guò)電平位移進(jìn)入A/ D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字化的心電信號(hào)。以BiFET LF411型運(yùn)放構(gòu)成的前置放大器和以有源高通-低通濾波器為主要部件的高性能心電放大器可實(shí)現(xiàn)輸出電壓高增益、低噪聲、高靈敏度，保證心電信號(hào)清晰穩(wěn)定，滿(mǎn)足臨床監(jiān)護(hù)以及病理分析的要求。

0引言

人體心肌產(chǎn)生的電信號(hào)傳導(dǎo)到體表之后，由于在體表分布的不同而產(chǎn)生電位差，將這種電壓只有mV級(jí)別的電位差放大并繪制成圖，就得到了心電圖（ Elect rocardiog ram，簡(jiǎn)稱(chēng)ECG）。心電放大器即心電圖信號(hào)放大器。將Ag-AgCl電極貼在病人的左臂、右臂和大腿上，通過(guò)導(dǎo)聯(lián)輸入心電信號(hào)，經(jīng)放大與濾波、A/ D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字化的心電信號(hào)，將該信號(hào)送入單片機(jī)系統(tǒng)，最后通過(guò)人機(jī)接口電路將心電波形顯示在LCD屏幕上，或通過(guò)RS232接口將心電波形數(shù)據(jù)輸入到微機(jī)中供醫(yī)生分析診斷。心電放大器性能的高低在心電圖的測(cè)試過(guò)程中尤為重要。

1心電放大器設(shè)計(jì)方案

心電放大器的基本電路組成如圖1所示。

從體表獲得的心電信號(hào)經(jīng)導(dǎo)聯(lián)輸入后，由模擬多路開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，選中的那一路ECG信號(hào)經(jīng)BiFET LF411型運(yùn)放構(gòu)成的前置放大器放大，濾波器濾除其中的高頻干擾后，再經(jīng)一個(gè)50Hz陷波器進(jìn)一步抑制電源干擾，然后通過(guò)電平位移進(jìn)入A/ D轉(zhuǎn)換，從而得到數(shù)字化的心電信號(hào)。心電放大器模擬部分電路如圖2所示。

圖2所示電路是在零偏置條件下工作，因此輸出信號(hào)幅值有正有負(fù)，再用加法器將雙端信號(hào)位移，使之成為單端信號(hào)，然后進(jìn)入AD采樣電路。

1. 1前置放大器

電極采集到的心電信號(hào)幅值在50LV~ 5mV，頻率在0.05~ 200Hz，需要放大上千倍才能被觀察到，并且人體的內(nèi)阻比較大，因此一個(gè)高阻抗、高增益的放大器是準(zhǔn)確獲取心電信號(hào)的關(guān)鍵。針對(duì)這一情況我們采用BiFET LF411運(yùn)放構(gòu)成多級(jí)放大器，且各級(jí)增益均衡分配。

BiFET LF411運(yùn)放是一種高精度、低漂移型差分輸入級(jí)電路，同時(shí)具有FET輸入阻抗高、BJT電壓增益高的優(yōu)點(diǎn)，其開(kāi)環(huán)差模電壓增益A_VO為4*10⁵ ，差模輸入電阻R_id可達(dá)4*10¹¹歐，共模電壓增益A_VC為2，共模抑制比K_CMR為106dB.

由于體表液體與電極之間可能形成原電池，致使電極之間存在固定的電位差，因此第一級(jí)差分放大的增益不能太高，否則容易飽和。電路中A₁ ，A₂ ，A₃構(gòu)成三運(yùn)放儀用放大器，它的差模電壓增益A_VO為40，共模電壓增益A_VC為7.948*10^-6 ，共模抑制比K CMR為134dB，即：

電路中選用對(duì)稱(chēng)的電阻參數(shù)以保證儀用放大器有較好的抗共模干擾能力。為避免輸入端開(kāi)路時(shí)放大器出現(xiàn)飽和狀態(tài)，在兩個(gè)輸入端到地之間分別串接兩個(gè)20M歐的電阻R₁₁、R₁₂ ，這樣還可以提高差模輸入阻抗，使其大于10⁷歐.

第二級(jí)后級(jí)放大采用同相放大電路，該級(jí)差模增益為25，從而能保證整個(gè)電路差模增益為1000倍左右。

1. 2濾波器

由于檢測(cè)信號(hào)中存在的主要干擾信號(hào)有電極板與人之間的極化電壓、50Hz工頻干擾、儀器內(nèi)部噪聲和儀器周?chē)妶?chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)的干擾等等，要想獲得清晰穩(wěn)定的心電信號(hào)，濾波器的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，特別是50Hz的帶阻濾波器尤其重要。其中200Hz以上的干擾信號(hào)較強(qiáng)而0.05Hz以下的干擾信號(hào)相對(duì)較弱，所以在濾波電路中采取先低通濾波取出200Hz以下的信號(hào)，然后接高通的方式，從而濾除極化電壓及高頻干擾。在電路中A₄及電阻、電容組成帶通濾波器，同時(shí)使電路具有較高的輸出阻抗，其中高通濾波器由C₁、R₈構(gòu)成，低通濾波器由C₂、R₁₀構(gòu)成，則下限頻率為f_L = 1/（2πC₁R₈） = 0.048Hz，上限頻率為f_H = 1/（2πC₂R₁₀ ） = 200.95Hz.然而最為嚴(yán)重的干擾是市電電源的50Hz（部分國(guó)家為60Hz） ，因此還須一個(gè)50Hz的帶阻濾波器（又稱(chēng)陷波器）進(jìn)一步抑制電源干擾。常用的切比雪夫?yàn)V波器具有從通帶到阻帶能迅速衰減的特點(diǎn)，因此采用四階切比雪夫?yàn)V波器，通帶選擇在45~ 55Hz之間，其傳遞函數(shù)及對(duì)應(yīng)差分方程為：

其對(duì)應(yīng)的幅頻和相頻特性如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，帶阻濾波的選頻特性很好，當(dāng)信號(hào)頻率等于特征頻率時(shí)，衰減幾乎到零，且相頻特性呈現(xiàn)±90^o突變的形式。

圖4是濾波前和濾波后的頻譜，可以看出，信號(hào)在50Hz處被很好的抑制了，濾波的效果非常理想，完全可以達(dá)到臨床實(shí)用的要求。濾波器對(duì)最終信號(hào)的質(zhì)量尤為重要，由于濾波器的性能對(duì)元器件的誤差相當(dāng)靈敏，因此在這一級(jí)的設(shè)計(jì)中需要選用穩(wěn)定而精密的阻容原件，可串聯(lián)精密電位器以獲得較好的效果。

4電路調(diào)試

將心電放大器制作成印刷電路板（PCB板）并進(jìn)行整機(jī)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如下：

差模電壓增益為1000，共模抑制比為80dB，差模輸入阻抗大于10⁷歐，通頻帶為0. 05~ 200Hz.測(cè)得的心電圖信號(hào)如圖5所示

可見(jiàn)心電信號(hào)清晰穩(wěn)定，完全能夠滿(mǎn)足臨床監(jiān)護(hù)以及病理分析的要求。

5結(jié)束語(yǔ)

要想獲得清晰穩(wěn)定的心電信號(hào)，心電放大器中前置放大器與濾波器的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，特別是50Hz的帶阻濾波器尤其重要。本文設(shè)計(jì)的以BiFET LF411型運(yùn)放構(gòu)成的心電放大器可實(shí)現(xiàn)輸出電壓高增益、低噪聲、高靈敏度，保證心電信號(hào)清晰穩(wěn)定，滿(mǎn)足臨床監(jiān)護(hù)以及病理分析的要求。