共模干扰抑制实例

共模干扰抑制实例

安徽电子科学研究所李浩

共模干扰无处不在，一般情况下，消除或抑制共模干扰是设计信号调理电路必须面对的问题。尤其是针对微弱信号采集调理电路，只有采集妥当的措施才能保证电路具备良好的抑制共模干扰性能，并正常工作。例如心电采集电路，电路所要采集的是人体不同电位点间的电位差，此电位差正常在8mV以下，典型值为1mV。人体又通常不可避免的暴露在工频干扰的空间之中，良好的抑制50Hz工频共模干扰是心电采集电路的基本要求之一。下面以单导联心电采集电路为例，分析共模干扰转化为差模干扰对测量产生影响及右腿驱动电路引入对共模干扰的抑制能力。

单导联包括LA、RA和LL。LA和RA为I导联检测电极，LL为右腿驱动电极。心电芯片中集成的仪表放大器本身具有一定的共模抑制能力，但由于所接导联线长度长，线路布局差异等因数，导致差分输入的两端阻抗不能完全对称，较强的共模干扰就会转换为差分干扰进入仪表放大器，造成较大的输出干扰。心电电路中LL电极实际上是取差分输入端的共模电压经反相后输入到人体，以将差分输入端的共模电压成分抵消或减小。

通过图示分析如下。

（1）理想状态下，无共模干扰，差分输入两端阻抗完全匹配，输出信号完全是两点间电位差。

图1

（2）实际情况下，空间存在共模干扰。

图2

（3）为便于立即结算等效为下图，如果差分输入两端阻抗完全匹配，一定范围内的共模干扰电压V仍不会对输出产生影响。

图3

（4）实际上，差分输入端存在阻抗，如果两端阻抗完全对称，则仍不会对输出产生影响。

图4

（5）等效为以下电路便于理解计算，R LA和R RA等效为两个输入端的阻抗，其差异设计为51kΩ（依据YY1139-2013标准），该阻抗的差异主要源自皮肤-电极阻抗不平衡，即同一患者身上连接的两个电极间的阻抗预期变化较大。如果皮肤-电极阻抗存在不平衡，考虑到任何电极对地的有限阻抗，共模电路将产生差分信号。共模电压之所以取值10V，也是依据YY1139-2013标准。

按下图电路举例计算，差分输入两端将存在0.5mV的差异。由于人体心电信号本身就是在8mV以下，典型值为1mV，由此可见0.5mV的干扰信号不容忽视，如果不采取有效措施，将对输出产生较严重的干扰。

图5

（6）引入驱动电极，抵消共模电压，有效降低共模电压转换为差模电压，进入测量系统产生干扰。右腿驱动电路部分的作用是，获取LA和RA两端的共模电压，经过反相后变

为-V输入到人体，以抵消施加到人体的共模电压V。

图6

对按照上述方式设计的右腿驱动电路进行实际测试。测试中，50Hz共模信号施加后，不接插LL电极时，输出显示为杂波，且幅度很大（10mm/mV增益下，峰峰值约为20mm）。接插上LL后，杂波消失，输出波形峰峰值不到2mm。满足标准中不超过10mm的要求。

差分传输本身就是一项提高共模抑制能力的方式，比如主流的RS422、RS485通信总线，因其差分传输特点，使总线具备较强的抗干扰能力和较长的传输距离。而RS232总线，因其不平衡传输特性，在实际应用中，其传输距离一般不超过15米。一般情况下，传输通信信号电压幅值都在伏级，依靠单一的差分传输技术就能够满足抑制共模干扰的能力。而针对毫伏级的微小信号传输线路而言，单一依靠差分传输仍不能满足共模抑制性能要求。心电采集电路中的右腿驱动电路就是辅助的且有效的增强共模抑制能力的方法。

在其他微弱信号传输情况下，采用屏蔽层驱动，可有效的提高共模干扰抑制能力。传输弱信号的电缆线的屏蔽层加上一定电位时，将大大减小由屏蔽层与芯线之间分布电容耦合引入的干扰。下图中电路便是基于这种考虑，用INA105构成屏蔽层驱动产生器，输入信号来自于仪表放大器内部运放输出，叠加后INA105输出加到屏蔽层，即屏蔽层电位被抬高到仪表放大器内部运放输出的电位，从而使电缆线上的干扰大大减小。

图7

针对如何提高电路的共模干扰抑制能力提出以下几点建议：

（1）采用差分传输。具体实现时可适用双绞线。

（2）使用屏蔽层。非弱小信号应用下，可时屏蔽层直接接地，弱小信号下，可驱动屏蔽层以提高抑制能力。

（3）电路隔离。使测量电路与电路系统地、保护地或设备机壳隔离开来。如将图5中红色电阻Rin无限增大，则差模干扰转换为共模干扰的成分将无限减小，以至于忽略其影响。（4）远离强电场。如信号线与电源线分开布局。

（5）平衡差分输入端阻抗。如等长等距离靠近布线。