心电图设计怎么满足模拟前端共模和差模的动态范围

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。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。

我们将分六个部分来谈将遇到的设计挑战，以及应对之道。上周我们谈到的主题是“如何进行共模抑制测量”
（http://ezchina.analog.com/message/18424#18424），本周主题——怎样才能满足模拟前端共模和差模的动态范围

利用除颤器电击病人时，ECG设备必须能够快速做出反应。医生可能需要在除颤后一秒内看到病人的心电图。如果通过某些类型的金属(如不锈钢)施加此脉冲，则材料的除颤后极化在1秒后可能高达0.7 V。这种差分失调加上潜在  的电磁(EMI)和/或射频干扰(RFI)，可能超过ECG前端的输  入范围。简言之，放大器会饱和，无法看到ECG信号。

即使在此类瞬态输入中，ECG设计也必须能够保持其共模  和差分输入性能。现在的多数ECG系统都是全球销售，因  此设计师还必须满足最差情况交流电源输入范围要求。例  如，澳大利亚西部的交流主电源电压可高达264 VAC rms，尖峰电压达6 kV。在这种环境中，共模抑制必须比在美国  (交流电源电压为120 VAC rms)高出大约两倍。考虑到这种  情况，以及还可能发生的电极失调和极化，就要求差分和  共模输入动态范围必须非常高。ECG电压在100 µV至3 mV  峰峰值之间，因此在目标信号数字化之前，模拟前端的动  态范围输入能力十分重要。现代ECG前端的动态输入范围为大约±1 V到±1.5 V或更高，前者如Ag/Ag-Cl电极应用，后  者如除颤器垫板应用。

某些系统采用单电源供电并产生一个虚拟地，它将电源地  与电源轨之间的中点电压施加于病人(无电流)。这通常是  RLD电路的一部分。电极放大器相对于此中间电源轨，确  保没有交流或直流电流注入。所需的相对于此虚拟地的±1 V输入动态范围，就是快速响应除颤后和预期最差情况环  境条件要求的输入动态范围。

ECG前端的噪声性能、线性度、CMRR和差分增益必须不受放大器的特定输入工作点影响。各电极的输入阻抗必须大于1 GΩ，电容约为10 pF或更低，电极之间呈最佳匹配。 ADI公司的分立仪表放大器AD8220和AD8226具有宽动态范围，支持符合CMR需求的电路架构。ADAS1000 ECG AFE 满足低噪声、高动态范围、CMR和线性度的要求。Black‑n® 处理器则能满足ECG和自动体外除颤器(AED)设备的后端需求。