利用对消驱动提高心电信号测量共模抑制的原理

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。
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图1：对消驱动模型
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，C6，1A，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Vsub》in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。