高增益低噪声心电放大器的设计与分析

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摘要：
        从体表获得的心电信号经导联输入后，由模拟多路开关进行切换，经前置放大器放大及滤波器滤除高频干扰后，再经一个50Hz陷波器进一步抑制电源干扰，然后通过电平位移进入A/ D转换得到数字化的心电信号。以BiFET LF411型运放构成的前置放大器和以有源高通-低通滤波器为主要部件的高性能心电放大器可实现输出电压高增益、低噪声、高灵敏度，保证心电信号清晰稳定，满足临床监护以及病理分析的要求。
         
        0引言
        人体心肌产生的电信号传导到体表之后，由于在体表分布的不同而产生电位差，将这种电压只有mV级别的电位差放大并绘制成图，就得到了心电图（ Elect rocardiog ram，简称ECG）。心电放大器即心电图信号放大器。将Ag-AgCl电极贴在病人的左臂、右臂和大腿上，通过导联输入心电信号，经放大与滤波、A/ D转换后得到数字化的心电信号，将该信号送入单片机系统，最后通过人机接口电路将心电波形显示在LCD屏幕上，或通过RS232接口将心电波形数据输入到微机中供医生分析诊断。心电放大器性能的高低在心电图的测试过程中尤为重要。
       
        1心电放大器设计方案
        心电放大器的基本电路组成如图1所示。
       
         
        从体表获得的心电信号经导联输入后，由模拟多路开关进行切换，选中的那一路ECG信号经BiFET LF411型运放构成的前置放大器放大，滤波器滤除其中的高频干扰后，再经一个50Hz陷波器进一步抑制电源干扰，然后通过电平位移进入A/ D转换，从而得到数字化的心电信号。心电放大器模拟部分电路如图2所示。
       
       
       
        图2所示电路是在零偏置条件下工作，因此输出信号幅值有正有负，再用加法器将双端信号位移，使之成为单端信号，然后进入AD采样电路。
       
        1. 1前置放大器
        电极采集到的心电信号幅值在50LV~ 5mV，频率在0.05~ 200Hz，需要放大上千倍才能被观察到，并且人体的内阻比较大，因此一个高阻抗、高增益的放大器是准确获取心电信号的关键。针对这一情况我们采用BiFET LF411运放构成多级放大器，且各级增益均衡分配。
       
        BiFET LF411运放是一种高精度、低漂移型差分输入级电路，同时具有FET输入阻抗高、BJT电压增益高的优点，其开环差模电压增益AVO为4*105 ，差模输入电阻Rid可达4*1011欧，共模电压增益AVC为2，共模抑制比KCMR为106dB.
        由于体表液体与电极之间可能形成原电池，致使电极之间存在固定的电位差，因此第一级差分放大的增益不能太高，否则容易饱和。电路中A1 ，A2 ，A3构成三运放仪用放大器，它的差模电压增益AVO为40，共模电压增益AVC为7.948*10-6 ，共模抑制比K CMR为134dB，即：
       
        电路中选用对称的电阻参数以保证仪用放大器有较好的抗共模干扰能力。为避免输入端开路时放大器出现饱和状态，在两个输入端到地之间分别串接两个20M欧的电阻R11、R12 ，这样还可以提高差模输入阻抗，使其大于107欧.
        第二级后级放大采用同相放大电路，该级差模增益为25，从而能保证整个电路差模增益为1000倍左右。
       
        1. 2滤波器
        由于检测信号中存在的主要干扰信号有电极板与人之间的极化电压、50Hz工频干扰、仪器内部噪声和仪器周围电场、磁场、电磁场的干扰等等，要想获得清晰稳定的心电信号，滤波器的设计很关键，特别是50Hz的带阻滤波器尤其重要。其中200Hz以上的干扰信号较强而0.05Hz以下的干扰信号相对较弱，所以在滤波电路中采取先低通滤波取出200Hz以下的信号，然后接高通的方式，从而滤除极化电压及高频干扰。在电路中A4及电阻、电容组成带通滤波器，同时使电路具有较高的输出阻抗，其中高通滤波器由C1、R8构成，低通滤波器由C2、R10构成，则下限频率为fL = 1/（2πC1R8） = 0.048Hz，上限频率为fH = 1/（2πC2R10 ） = 200.95Hz.然而最为严重的干扰是市电电源的50Hz（部分国家为60Hz） ，因此还须一个50Hz的带阻滤波器（又称陷波器）进一步抑制电源干扰。常用的切比雪夫滤波器具有从通带到阻带能迅速衰减的特点，因此采用四阶切比雪夫滤波器，通带选择在45~ 55Hz之间，其传递函数及对应差分方程为：
       
        其对应的幅频和相频特性如图3所示。
       
        由图3可见，带阻滤波的选频特性很好，当信号频率等于特征频率时，衰减几乎到零，且相频特性呈现±90o突变的形式。
         
        图4是滤波前和滤波后的频谱，可以看出，信号在50Hz处被很好的抑制了，滤波的效果非常理想，完全可以达到临床实用的要求。滤波器对最终信号的质量尤为重要，由于滤波器的性能对元器件的误差相当灵敏，因此在这一级的设计中需要选用稳定而精密的阻容原件，可串联精密电位器以获得较好的效果。
       
       
       
        4电路调试
        将心电放大器制作成印刷电路板（PCB板）并进行整机测试。测试结果如下：
        差模电压增益为1000，共模抑制比为80dB，差模输入阻抗大于107欧，通频带为0. 05~ 200Hz.测得的心电图信号如图5所示
         
       
        可见心电信号清晰稳定，完全能够满足临床监护以及病理分析的要求。
         
        5结束语
        要想获得清晰稳定的心电信号，心电放大器中前置放大器与滤波器的设计很关键，特别是50Hz的带阻滤波器尤其重要。本文设计的以BiFET LF411型运放构成的心电放大器可实现输出电压高增益、低噪声、高灵敏度，保证心电信号清晰稳定，满足临床监护以及病理分析的要求。