利用对消驱动(右腿驱动)提高心电信号测量共模抑制的原理分析

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试验三心电放大器与右腿驱动电路的设计

实验三心电放大器与右腿驱动电路的设计、实验目的1 .掌握用运算放大器组装的心电放大器电路及其共模抑制比的测定方法。

2 .了解右腿驱动电路对于抑制共模信号和电气安全方面的意义。

3 .了解心电放大器的频率特性对于心电信号波形的影响二、实验原理在生物信息的获取和处理中，生物电位放大器占有重要的地位。

由于生物电信号一般都很微弱，所以生物电放大器必须有高的共模抑制比和足够的增益。

为了减小信号传输中的衰减和失真，生物电位放大器还必须有高的输入阻抗。

同时，为了保证被测对象的安全，防止发生电击事故，在电路中必须采取适当的保护措施。

心电放大器是一种重要的生物电位放大器，它可以作为生物电位放大器的代表。

本实验中所用的心电放大器电路原理如图3-1所示，它可以满足上述对于生物电位放大器的基本要求。

电路中共采用了五只运算放大器，其中4和A 2 组成同向并联差动放大器（A 和A 可以用双运放747或单运放741），它具有很高的输入阻抗，其差动增益Gd — R + R + R — 2 R + R-3 R 4 4 - R 4 4而共模增益为Gc = 1，所以这一级的共模抑制比CMRR = Gd （输入端开路时，容易引起饱和，饱和可以将①、②端短路，接地。

）4的作用是进一步放大差动信号，并把双端差动输入变成单端输出，其差动增益为调整P 可使其共模输出信号最小。

1Gd =务= 8 47 KT1K图3-1心电放大电路原理图由4, A2, 4组成的三运放的放大器电路又称为仪表放大器，它具有高输入阻抗，高共模抑制比和可调的增益，在生物电位放大器中得到广泛应用。

4、凡、R7、R6~ R18构成右腿驱动电路。

R6、R7将共模电压的平均值检出，4将此信号放大，倒相后加于右腿上。

对于共模信号而言，这是并联电压负反馈，故使人体上的电压减小。

这部分电路的等效电路如图3-2所示。

图3-2右腿驱动电路的等效电路图3-2中匕加为加于人体上的共模电压。

关于心电检测仪器计量检定中是否检测共模抑制比有关问题的探讨

收稿日期：２０１３ —１０ —０９
心电检测仪器使用的电压放大器已全部使用集成运算放大电路，作为用作生物电信号放大器一般都主要采用了同相并联３运算放大器和同相串联２运算放大器的方式，并采用缓冲放大作为输入级，这种结构提高了对共模信号的抑制能力。据有关资料，到目前在用的心电检测仪器的共模抑制比一般都能达到了８９ｄｂ以上。（２）在检定规程计量性能要求中，共模抑制比与电压测量误差、幅频特性等具有相关性，共模信号影响心电检测仪器的电压测量误差、幅频特性。目前，我们对心电信号检测仪器的检定一般都在现场进行检定，由于导联线比较长，我们所处的检定环境无不受到各种用电器的电磁干扰，受这些电磁干扰的影响，导联线本身寄生的电容，电感将产生一定的共模信号，在这种情况下，按照检定规程计量性能要求对心电信号检测仪器的电压测量误差、幅频特性等参数进行检测时，可调整导联线的空间位置以及仪器位置，如果能满足规程的要求，我们认为：心电检测仪器的共模抑制比以满足要求，没有必要对心电检测仪器的共模抑制比再进行测量。（３）从共模抑制比的概念我们可以看出：测量共模抑制比时，被检仪器的输入信号线对仪器共模抑制比的测量影响较大，引线越短，测量数据越准确。目前在我们现场检定过程中，虽然我们对导联线采取了屏蔽措施，对于
心血管疾病是必备的检查方法之一。为了保障医用心电检测仪器计量陛能的准确性，国家分别制定了《心电图机检定规程》、《心电监护仪检定规程》、《数字心电图机检定规程》、《数字心电监护仪检定规程》、《动态（可移动）心电图机检定规程》。目前，心电图检查已经广泛在各级各类医疗卫生部门应用。由于医用心电检测仪器精密复杂，在检定过程中，检测的技术指标较多，特别是对仪器的共模抑制比检ｉ贝４工作量较大，效果十分不理想，能否通过其他方法对其只进行定性判断而不进行定量测量呢？本文将就这个问题进行探讨。１差模信号、共模信号、共模抑制比的概念为了进一步分析共模抑制比技术指标对医用心电检测仪器计量性能的影响，我们首先了解以下几个概念：１．１差分信号：是指两个信号线之问的信号量值的差值；１．２共模信号：是指两个信号线的信号量值分别对某个参考点之间的具有相同的量值；１．３共模抑制比：放大器对差模信号的电压放大倍数与共模信号的电压放大倍数之比。

心电采集前端处理电路

差模共模的计算
• 设差分信号为v1、v2，共模信号为Vc，差模信号为Vd。 • V1=Vc+Vd v2=Vc-Vd • 共模信号：就是这两个信号共同拥有的那部分：（v1+v2）/2； • 差模信号：就是这两个信号各自拥有的那部分：对于v1，（v1-v2）/2；对于v2， -（v1-v2）/2；
实用电路
仪用运放与二级高通混合的前置放大器原理
阻带衰减特性增强，抑制呼吸波和极化电压的能力显著增强，更有利于前置放大器抗饱和性的提高。
低通滤波器
• 体表心电信号的频率范围为0-250HZ,信号的主要成分集中在0.05-100HZ，所以增加一个截止频率为100HZ的低通滤波器，滤掉高频信号，起到抗混叠的作用。
• 在一般情况下，差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小；共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。 • 实际应用中，温度的变化和各种环境噪声的影响都可以视作为共模干扰，所以消除共模干扰就是我们要做的主要作务。
右腿驱动消除共模干扰
• 只要将人体接入到测量电路的环路中，调节好环路的参数，就
南京大学郝冠鹏
需要考虑的几个问题
• • • • 共模信号和差模信号共模干扰和差模干扰右腿驱动电路消除共模干扰原理仪用运放与二级高通混合的前置放大器原理 • 低通滤波器
共模信号和差模信号
• 差模信号指的是两根线之间的信号差值；而共模信号又称对地信号，指的是两根线分别对地的信号。 • 差模信号：幅度相等，相位相反的信号，共模信号：幅度相等，相位相同的信号。 • 差分对中的每个信号都是共模信号和差模信号的和
差模干扰和共模干扰
• 差分信号在两线电缆构成的传输回路中进行传输，所有的差模电流全流过负载，地线上没有电流流过。差模干扰是侵入往返两条信号线的干扰，方向与信号电流方向一致，它和信号串在一起且同相位，这种干扰一般比较难以抑制。

现代医学电子仪器原理与设计复习指导(含答案)

现代医学电子仪器原理与设计复习指导(含答案)现代医学电子仪器原理与设计复指导（含答案）第一章医学仪器概述医学仪器的工作方式分为直接和间接、实时和延时、间断和连续、模拟和数字。

根据用途不同，医学仪器通常分为诊断用仪器和理疗用仪器。

诊断用仪器包括生物电诊断与监护、生理功能诊断与监护、人体组织成分的电子分析、人体组织结构形态影像诊断。

理疗用仪器包括电疗、光疗、磁疗与超声波治疗。

生理系统的建模与仿真方法是为了研究、分析生理系统而建立的一个与真实系统具有某种相似性的模型，然后利用这一模型对生理系统进行一系列实验，这种在模型上进行实验的过程就称为系统仿真。

建模是医学仪器设计的第一步和关键，是对生命对象进行科学定量描述的产物。

建模关系即模型的有效性度量主要包括复制有效，在系统输入与输出上认识系统；预测有效，对系统内部状态及总体结构认识清楚；结构有效，内部状态、总体结构及分解结构均有了解等三个层次。

广义而言，生理系统的模型不仅包括人造的物理或数学的模型，也应包括动物模型。

建模即建立一个在某一特定方面与真实系统具有相似性的系统，真实系统称为原型，而这种相似性的系统就称为该原型系统的模型。

模型的建立蕴含的三层意思即理想化、抽象化和简单化。

模型可分为数学模型、物理模型和描述模型三种。

按照真实系统的性质而构造的实体模型即物理模型。

对生理系统而言，其物理模型通常是由非生物物质构成的，根据其与原型相似的形式可分为如下四种类型：几何相似模型、力学相似模型、生理特性相似模型、等效电路模型。

数学模型是用数学表达式来描述事物的数学特性，它不像物理模型那样追求与客观事物的几何结构或物理结构的相似性，但可较好地刻划系统内在的数量联系，从而可定量地探求系统的运转规律。

构造一个数学模型主要包括系统中各个作用环节的描述即寻求一个适当的数学运算关系来描述系统的结构、功能和内在联系和表征系统的固有特征量的提取即主要来源于实验数据的参量提取两个方面的内容。

心电图(ECG)设计面临的挑战及其应对措施

心电图(ECG)设计面临的挑战及其应对措施工程师们可以利用ADI解决方案来应对心电图子系统设计的重大挑战，包括安全、共模/差模干扰、输入动态范围要求、设备可靠性和保护、降噪以及EMC/RFI考虑。

心电图(ECG)是一种常见的医疗记录，在许多恶劣的环境中，它也必须清晰可读并保持精确。

无论是医院、救护车、飞机、轮船、诊所还是家里，干扰源无处不在。

新一代高度便携式ECG技术使我们能够在更多的环境条件下测量心脏的电活动。

随着ECG子系统越来越多地投入医院外应用，制造商面临着持续的降低系统成本并缩短开发时间，同时保持或提高性能水平的压力，这就给ECG设计工程师提出了相当严苛的要求：实现一种安全有效、能够应对目标使用环境挑战的ECG子系统。

本文说明通常所认为的ECG子系统设计的主要挑战，并提供关于如何应对的各种方法建议。

本文讨论的挑战包括安全、共模/差模干扰、输入动态范围要求、设备可靠性和保护、降噪以及EMC/RFI考虑。

挑战1：达到最高安全标准，确保ECG子系统安全有效安全始终是ECG设计师的头号关注对象。

设计师必须严防来自交流电源的电涌或过压，以及经过ECG电极的任何可能超过10 μA rms推荐限值的电流路径影响到病人和操作人员。

在ECG子系统本身或其它与病人或操作人员相连的医疗设备发生故障时，可能出现危险电压或电流，ECG设计的终极目标就是确保病人和操作人员安全，不会受此类电压或电流伤害。

图1. 交流电源耦合简图开始ECG设计之前，工程师必须确定其临床应用及在哪里使用和存放设备。

工程师必须评估所有可能导致电流施加于病人的设备误用情况和潜在外部连接。

当施加的电流（吸入或流出）小于10 μA rms时，即使在单一故障条件下，操作人员和病人的安全也不会有问题。

必须防止病人意外触电，并且保护ECG设备不受紧急使用心脏除颤器所产生的极端电压影响。

ECG系统必须符合联邦法律、国际标准和相关国家/地区指令的要求。

利用右腿驱动技术的心电信号模拟前端设计

ＥＣＧｆｒｏｎｔ－·ｅｎｄｓｕｂｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｔｈｅｄｒｉｖｅｎ－－ｒｉｇｈｔ－·ｌｅｇｃｉｒｃｕｉｔ
ＹＡＮＧＺｈｅｎｇ，ＷＡＮＧＪｉｎｇｍｉｎ，ＺＨＵＺｈａｎｇｍｉｎｇ，ＹＡＮＧＹｉｎｔａｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＸｉｄｉａｎＵｎｉｖ．，Ｘｉ’ａｎ７１００７１，Ｃｈｉｎａ）
表1两级放大器性能性能参数参数值性能参数参数值性能参数参数值供电电压v3dc增益db122相位裕度65工艺nm180单位增益带宽mhz42电源抑制比db67图5放大器参数仿真图6drl测试及仿真图6a所示为测试drl功能电路结构加入和未加入drl电路的瞬态响应如图6b所示虚线和实线所示分别为未加入drl电路和加入drl电路的输出电压
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆａｎｕｎ－ｓｈｉｅｌｄｉｎｇｒｏｏｍ，ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ（ＥＣＧ）ｓｉｇｎａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｉｓａｗｅａｋｓｉｇｎａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｗｉｔｈａｓｔｒｏｎｇｃｏｍｍｏｎｍｏｄｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃｏｍｍｏｎｍｏｄｅｒｅｊｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔ，ａｄｒｉｖｅｎ－ｒｉｇｈｔ－ｌｅｇ（ＤＲＩ）ｃｉｒｃｕｉｔｉｓｏｆｔｅｎｕｔｉｌｉｚｅｄ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＥＣＧａｍｐｌｉｆｉｅｒｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｉｎａｍｐｌｉｆｉｅｒ（ＰＧＡ）ｃｉｒｃｕｉｔａｎｄＤＲＬｃｉｒｃｕｉｔａｒｅａｐｐｌｉｅｄａｔｔｈｉｓａｎａｌｏｇｆｒｏｎｔｅｎｄ．ＴｈｅＰＧＡｉｓｕｔｉｌｉｚｅｄｆｏｒＥＣＧｓｉｇｎａｌａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｗｉｔｈｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｉｎｓｅｔａｔ１，２，３，４，６，８，１２．ＴｈｅＤＲＬｃｉｒｃｕｉｔｉｓｕｓｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｃｏｍｍｏｎ－ｍｏｄｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｅｎｃｅｐｈａｌｏｇｒａｐｈ；ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ｄｒｉｖｅｎ－ｒｉｇｈｔ－ｌｅｇ；ｂｉｏｐｏｔｅｎｔｉａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ＣＭＲＲ

利用右腿驱动技术的心电信号模拟前端设计

利用右腿驱动技术的心电信号模拟前端设计杨正;王静敏;朱樟明;杨银堂【摘要】在非屏蔽室条件下，心电信号检测是在强共模干扰下的微弱信号检测过程，为提高心电信号的检测效果，常采用右腿驱动电路来抑制电路的工模干扰。

设计了一种高性能的心电信号检测放大器，将可编程增益放大电路及右腿驱动电路结合应用于模拟前端部分。

可编程增益放大器采用AB类缓冲器结构，用于将心电信号检测信号放大，其可编程放大倍数为1，2，3，4，6，8，12，其共模抑制比可达129dB，有效消除了共模干扰。

%Under the condition of an un‐shielding room , electrocardiogram ( ECG) signal detection is a weak signal detection process with a strong common mode interference . In order to improve the performance of common mode rejection of the circuit , a driven‐right‐leg (DRL) circuit is often utilized . In this paper , a high performance ECG amplifier is proposed . The programmable gain amplifier ( PGA) circuit and DRL circuit are applied at thisanalogfrontend.ThePGAisutilizedforECGsignalamplification,withtheprogra mmablegainsetat 1,2,3,4, 6 , 8 , 12 . The DRL circuit is used to reduce common‐mode interference .【期刊名称】《西安电子科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(043)004【总页数】6页(P166-171)【关键词】心电信号;放大器;右腿驱动;生物信号检测;共模抑制比【作者】杨正;王静敏;朱樟明;杨银堂【作者单位】西安电子科技大学微电子学院，陕西西安 710071;西安电子科技大学微电子学院，陕西西安 710071;西安电子科技大学微电子学院，陕西西安710071;西安电子科技大学微电子学院，陕西西安 710071【正文语种】中文【中图分类】TN4在现代社会,随着对自身健康关注的不断提高,人们对可穿戴医疗设备的需求也在不断提高.作为表征人体健康状况的生物医学信号,具有低频(赫兹-千赫兹)、低幅度(微伏-毫伏)的特点[1-2].在生物医学信号的获取过程中,极容易受外界环境的干扰,因而如何将这些信号从充满噪声的人体环境中提取出来极具挑战.传统上,医学上利用3个电极进行心电信号测量[3],如图1(a)所示.然而,为了在大共模电压条件下放大微小的差模生物电信号需要高的共模抑制比(大于80 dB)[4],这种设置并不适合.在文献[1]提出的模拟前端设计中,仪表放大器的共模抑制比为122 d B,在文献[5]设计的心电信号检测(ElectroCardioGram,ECG)系统中,其仪表放大器的共模抑制比为78 dB,且增益固定,在实际应用中不够灵活.笔者的设计将可编程增益放大电路(Programmable Gain Amplifier,PGA)及右腿驱动(Driven-Right-Leg,DRL)电路结合应用于模拟前端部分,具有增益可编程功能,且共模抑制比达129 dB.笔者针对微型心电图的芯片设计和实现技术,将右腿驱动技术应用于前置放大器部分,有效消除来自人体的共模信号干扰,为保证ECG的效果,交流(Alternating Current,AC)耦合电路也包含在该设计中.图1(b)为可穿戴式生物信号监测系统的框图组成,其中包括信号调节电路、模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)及无线通信模块[1].无处不在的电噪声尤其是供电系统噪声,给生物电信号的测量提出了挑战,图1(c)所示为一个电源线与测量系统之间电场耦合的简化模型[5-7].其中,Z1、Z2、Z3分别代表皮肤与3个电极之间的等效阻抗,C1和C2代表输电线与导联之间的耦合电容.Id1和Id2分别为由这两个电容耦合产生的电流,由于测量系统极高的输入阻抗,它们不会流入放大器.相反,它们会分别通过等效阻抗Z1、Z2流向人体.这种耦合产生的差分电压可计算为为最小化这种电子干扰,必须尽可能阻抗匹配并减少皮肤电极阻抗,而这种由于电容耦合带来的电子干扰可以通过使用屏蔽信号连接来降低.另外,Idb为电源线与人体之间的电场耦合所产生的耦合电流,在流过人体的过程中产生了共模电平Vcm,该电流最终通过两条路径流向地面,分别为电容C4及皮肤电极阻抗Z3.因此选择一个高共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio,CMRR)的放大器来抑制共模电压非常重要.另外,Vcm的影响也可以通过平衡皮肤电极阻抗Z1和Z2来降低,即由式(3)可以看出平衡皮肤电极阻抗Z1、Z2的重要性.降低共模噪声影响的另一种方法是使用DRL电路.DRL电路通过对差模电极对进行电压平均来检测共模电压,然后将这个电压放大、反向,最终通过第3电极反馈到人体.1.1 AC耦合电路心电信号是人体中可以检测到的最大的生物电势,它由心肌的电极化和去极化产生.通常会利用导电电极测量身体表面上的心电信号.交流耦合电路的主要作用是使这个测量到的很小的交流信号有效地耦合到后继的信号处理电路,即后级的放大器、滤波器;同时屏蔽电极直流偏置电压,保护电极产生的小信号,防止放大器进入饱和状态,否则,将导致错误测量甚至丧失功能.图2所示为AC耦合电路[8-9].该差分交流耦合网络不需要任何连接到地的电阻,从而优化了共模抑制效果,并实现了一阶高通滤波器.若R2C1=R3C2=τ,则系统的传递函数可以表示为在该设计中,R1=R2=4.7 MΩ,C1=C2=1μF,通过式(5)可得转折频率为0.034 Hz.1.2 可编程增益放大电路为保证足够的增益,采用了两级放大结构,如图3所示.第1级为折叠共源共栅结构,第2级为AB类输出级.为降低由class-AB驱动器带来的噪声和失调,在不影响放大器性能的条件下,采用了紧凑型的AB类输出级.由图3所示,包括两个共源连接的输出管M25和M26;浮动电流控制器由M19、M20构成;堆叠的二极管连接晶体管M23～M24和M21～M22分别为M19、M20的栅极提供偏置.浮动电流控制晶体管、堆叠的二极管连接晶体管以及输出管构成了两个跨导线性环M20、M21、M22、M25和M19、M23、M24、M26,这两个环路保持输出管的栅极电压为常数,确定了输出晶体管静态电流,使静态电流对电源电压不敏感[10-11].其原理如下: 假设VSS不变,当VDD变化ΔV时,M20的栅极也变化ΔV,有由M25和M26的关系可知,由式(8)知,M25栅源电压保持不变.当VDD不变,VSS变化时,推导过程类似.文中所述PGA如图4(a)所示.它由两个基本放大器PGAP、PGAN及可调电阻构成.根据心电输入信号的大小,获得相应的增益控制码,同时控制多路选择开关,选择对应的档位输出,即可获得不同大小的阻值,实现放大器增益的可编程控制.PGA电路的原理如下:根据运放的虚短概念有则通过串联电阻的电流I可以表示为由式(12)可知,通过对电阻R1、R2设置不同的阻值,可以得到不同的增益.该PGA的输出在进入ADC之前经过了RC滤波器的滤波.该滤波器由电阻Rs和电容Cf组成.除了消除输出的锯齿成分,也会抑制由于ADC的采样造成的PGA输出的毛刺,其转折频率可表示为1.3 右腿驱动电路脑电(Eletro-Encepalo-Graph,EEG)、心电(ECG)、肌电(Electro-Myo-Graphy,EMG)等生物体表电信号是人体特定点与点之间的差模电压信号,均为毫伏、微伏级别的微弱信号.其中,心电信号幅度在0.5 m V～8 m V之间,典型值为1 m V.在非屏蔽室条件下,工频信号在人体表面造成的共模干扰在伏级或者更高.因此模拟前端的放大器不仅要有较大的增益,还要有很高的共模抑制比(70 dB～120 d B),CMRR太低的运放会影响心电图机的性能,太高又会产生高昂的成本.因此,在生物电采集系统中,前级放大电路的主要任务是:设法降低共模干扰电压.而右腿驱动技术是降低共模干扰的必要方法.DRL电路如图4(b)所示.A1、Ri、Rf、Rl共同构成了DRL电路,其工作原理为:前置放大电路中两个相等的偏置电阻R1、R2取出人体的共模电压,该电压经反向,放大并反馈到右腿.右腿驱动电路将共模电平反馈回参考电极并且与原来的共模电平极性相反,适当选择电阻值可使得反馈电平抵消掉共模电平,从而在输入端实现对共模信号的抑制,大大提高整个电路的共模抑制比.本质上,它是一个共模电压并联负反馈电路,起到快速放电、有效衰减人体所带共模电压的作用.对图4(b)中DRL电路进行推导,有其中,Vcm是前置电路的共模输入成分.实际中,由于电阻的精度问题,R3、R4必然存在阻值之差,设R3、R4精度为σ;R3、R4中间输出电压Vcm中还包含一定的差模成分,即Vcm=Vd+Vic,其中由式(16)可知,Vcm中的差模成分为整个差分放大电路的差分输入的ε倍.由于差分输入信号(V1-V2)是毫伏微伏级别的信号,比共模输入信号Vic本来就要小3或4个数量级,再加上σ因素,Vd比Vic总共要小4或5个数量级,因此,R3、R4阻值之差对DRL电路的影响可以忽略不计.另外,通过增加放大器的增益可以减少Vcm.其中R1和C1的设计用于系统稳定,对低频下共模抑制比的计算没有影响,可忽略.经推导计算,可得到共模电平表达式,即由式(17)可看出,共模电平Vcm的衰减正比于Rf与Ri的比值,通过控制电阻的比值,可有效降低共模电平Vcm.身体的位移电流(id)没有流到地面,而是流向放大器输出,这对ECG放大器而言降低了干扰,另外也将病人有效地接地.基于SMIC 0.18μm、3.3 V标准互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor transistor,CMOS)工艺,采用Cadence Spectre对电路进行了仿真验证,电源电压设置为3 V.表1所示为放大器的性能参数.放大器的频率响应如图5(a)所示.CMRR随工艺角变化的仿真波形如图5(b)所示,其典型值为129 d B.由图5可知,该电路在工艺和温度变化的条件下依然有很强的共模信号抑制能力. 图6(a)所示为测试DRL功能电路结构,加入和未加入DRL电路的瞬态响应如图6(b)所示,虚线和实线所示分别为未加入DRL电路和加入DRL电路的输出电压.未加入DRL电路时,输出电压振幅达110μV,这对于输入信号几百微伏的电路会产生重大影响.笔者设计了一种高性能的ECG放大器,将可编程增益放大电路及右腿驱动电路结合应用于模拟前端部分.可编程增益放大器将ECG信号放大,其可编程放大倍数为1,2,3,4,6,8,12.DRL电路用于降低共模干扰,其共模抑制比可达129 d B,有效消除了共模干扰.【相关文献】[1]KUMAR D S,SAFEER K P,PANDIAN P S,et al.A High Cmrr Analog Front-end IC for Wearable Physiological Monitoring[C]//2012 Annual IEEE IndiaConference.Washington:IEEE Computer Society,2012:385-388.[2]GHAMATI M,MAYMANDI-NEJAD M.A Low-noise Low-power MOSFET Only Electrocardiogram Amplifier[C]// 21st Iranian Conference on ElectricalEngineering.Wasington:IEEE Computer Society,2013:6599849.[3]PU X F,WAN L,ZHANG H,et al.A Low-power Portable ECG Sensor Interface with Dry Electrodes[J].Journal of Semiconductors,2013,34(5):1-6.[4]HABERMAN M A,SPINELLI E M.A Multichannel EEG Acquisition Scheme Based on Single Ended Amplifiers and Digital DRL[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems,2012,6(6):614-618.[5]WONG A,PUN K P,ZHANG Y T,et 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IEEE Transactions on Biomedical Engineering.2003,50:391-395.[10]HOGERVORST R,TERO J P,ESCHAUAIER R G H,et al.A Compact Power-efficient 3V CMOS Rail-to-Rail Input/Output Operational Amplifier for VLSI Cell Libraries[J].IEEE Journal of Solid-state Circuits,1994,29(12): 1505-1513.[11]杨银堂,任乐宁,付俊兴.基于准浮栅技术的超低压运算放大器[J].西安电子科技大学学报,2005,32(4):501-503. YANG Yintang,REN Lening,FU Junxing.Ultra-low Voltage Operational Amplifier Based on Quasi-floating Gate Transistors[J].Journal of Xidian University,2005,32(4):501-503.。

简易心电图仪设计(课程设计)

重庆理工大学《生物医学工程》课程设计报告题目：简易心电图仪的设计班级：生物医学工程11级学号：**********名：***指导老师：周奇、陈国明日期：2014年9月摘要心电图是临床疾病诊断中常用的辅助手段。

心电数据采集系统是心电图检查仪的关键部件。

人体心电信号的主要频率范围为0.05Hz~100Hz，幅度约为0~4mV，信号十分微弱。

由于心电信号中通常混杂有其它生物电信号，加之体外以50Hz 工频干扰为主的电磁场的干扰，使得心电噪声背景较强，测量条件比较复杂。

为了不失真地检出有临床价值的干净心电信号，往往要求心电数据采集系统具有高稳定性、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声及强抗干扰能力等性能。

本设计利用集成仪表放大器AD620和滤波电路设计了一种符合上述要求的简易心电图仪。

关键词：心电图干扰 AD620 滤波AbstractElectrocardiogram is commonly used in clinical disease diagnosis of auxiliary means. Ecg data acquisition system is electrocardiogram checking of the key components. The main body ecg signal frequency range is 0.05 Hz ~ 100Hz, amplitude is approximately 0 ~ 4mV, signal is very weak. Because electrocardiosignal usually mingled with other biological signals, coupled with the in vitro in 50Hz power frequency interference of electromagnetic interference, mainly making ecg noise background stronger, measuring conditions are complex. In order not to distortion to detected with clinical value of ecg signal, clean often ask ecg data acquisition system with high stability, high input impedance, high common mode rejection ratio, low noise and strong anti-jamming ability, such as performance. This design using integrated instrumentation amplifier AD620 and filter circuit design a kind of to satisfy the above-mentioned requirements of simple ecg apparatus.Keywords: electrocardiogram interference AD620 filtering目录摘要 (2)Abstract (3)目录 (4)1、设计要求 (5)2、方案设计 (5)2.1理论分析及芯片选用依据 (5)2.2设计方案论证 (6)2.2.1输入回路噪声抑制设计 (6)2.2.2 前置放大模块 (6)2.2.3 滤波网络模块 (7)3、系统实现 (7)3.1主要单元电路设计 (8)3.1.1前置放大模块及右腿驱动电路 (8)3.1.2 主放大器电路 (8)3.1.3 滤波电路................................................................................................. 错误!未定义书签。

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利用对消驱动提高心电信号测量共模抑制的原理分析
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，结合实际电路实际验证了电路的效果。

关键词：共模抑制比、运放
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。

图1对消驱动模型
SGM-OP-1
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，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，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Vin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。