高增益低噪声心电放大器的规划与剖析

摘要：

从体表取得的心电信号经导联输入后，由模仿多路开关进行切换，经前置扩大器扩大及滤波器滤除高频搅扰后，再经一个50Hz陷波器进一步按捺电源搅扰，然后经过电平位移进入A/ D转化得到数字化的心电信号。以BiFET LF411型运放构成的前置扩大器和以有源高通-低通滤波器为首要部件的高功能心电扩大器可完成输出电压高增益、低噪声、高活络度，确保心电信号明晰安稳，满意临床监护以及病理剖析的要求。

0导言

人体心肌发生的电信号传导到体表之后，因为在体表散布的不同而发生电位差，将这种电压只要mV等级的电位差扩大并绘制成图，就得到了心电图（ Elect rocardiog ram，简称ECG）。心电扩大器即心电图信号扩大器。将Ag-AgCl电极贴在患者的左臂、右臂和大腿上，经过导联输入心电信号，经扩大与滤波、A/ D转化后得到数字化的心电信号，将该信号送入单片机体系，终究经过人机接口电路将心电波形显现在LCD屏幕上，或经过RS232接口将心电波形数据输入到微机中供医师剖析确诊。心电扩大器功能的凹凸在心电图的测验过程中尤为重要。

1心电扩大器规划方案

心电扩大器的根本电路组成如图1所示。

从体表取得的心电信号经导联输入后，由模仿多路开关进行切换，选中的那一路ECG信号经BiFET LF411型运放构成的前置扩大器扩大，滤波器滤除其间的高频搅扰后，再经一个50Hz陷波器进一步按捺电源搅扰，然后经过电平位移进入A/ D转化，然后得到数字化的心电信号。心电扩大器模仿部分电路如图2所示。

图2所示电路是在零偏置条件下作业，因而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前置扩大器

电极收集到的心电信号幅值在50LV~ 5mV，频率在0.05~ 200Hz，需求扩大上千倍才干被观察到，而且人体的内阻比较大，因而一个高阻抗、高增益的扩大器是精确获取心电信号的要害。针对这一状况咱们选用BiFET LF411运放构成多级扩大器，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，一起具有FET输入阻抗高、BJT电压增益高的长处，其开环差模电压增益A_VO为4*10⁵ ，差模输入电阻R_id可达4*10¹¹欧，共模电压增益A_VC为2，共模按捺比K_CMR为106dB.

因为体表液体与电极之间或许构成原电池，致使电极之间存在固定的电位差，因而榜首级差分扩大的增益不能太高，不然简单饱满。电路中A₁ ，A₂ ，A₃构成三运放仪用扩大器，它的差模电压增益A_VO为40，共模电压增益A_VC为7.948*10^-6 ，共模按捺比K CMR为134dB，即：

电路中选用对称的电阻参数以确保仪用扩大器有较好的抗共模搅扰才能。为防止输入端开路时扩大器出现饱满状态，在两个输入端到地之间别离串接两个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.

第二级后级扩大选用同相扩大电路，该级差模增益为25，然后能确保整个电路差模增益为1000倍左右。

1. 2滤波器

因为检测信号中存在的首要搅扰信号有电极板与人之间的极化电压、50Hz工频搅扰、仪器内部噪声和仪器周围电场、磁场、电磁场的搅扰等等，要想取得明晰安稳的心电信号，滤波器的规划很要害，特别是50Hz的带阻滤波器特别重要。其间200Hz以上的搅扰信号较强而0.05Hz以下的搅扰信号相对较弱，所以在滤波电路中采纳先低通滤波取出200Hz以下的信号，然后接高通的方法，然后滤除极化电压及高频搅扰。在电路中A₄及电阻、%&&&&&%组成带通滤波器，一起使电路具有较高的输出阻抗，其间高通滤波器由C₁、R₈构成，低通滤波器由C₂、R₁₀构成，则下限频率为f_L = 1/（2πC₁R₈） = 0.048Hz，上限频率为f_H = 1/（2πC₂R₁₀ ） = 200.95Hz.但是最为严峻的搅扰是市电电源的50Hz（部分国家为60Hz） ，因而还须一个50Hz的带阻滤波器（又称陷波器）进一步按捺电源搅扰。常用的切比雪夫滤波器具有从通带到阻带能敏捷衰减的特色，因而选用四阶切比雪夫滤波器，通带挑选在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，衰减简直到零，且相频特性出现±90^o骤变的方式。

图4是滤波前和滤波后的频谱，可以看出，信号在50Hz处被很好的按捺了，滤波的作用十分抱负，彻底可以到达临床有用的要求。滤波器对终究信号的质量尤为重要，因为滤波器的功能对%&&&&&%的差错适当活络，因而在这一级的规划中需求选用安稳而精细的阻容原件，可串联精细电位器以取得较好的作用。

4电路调试

将心电扩大器制作成印刷电路板（PCB板）并进行整机测验。测验成果如下：

差模电压增益为1000，共模按捺比为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

可见心电信号明晰安稳，彻底可以满意临床监护以及病理剖析的要求。

5结束语

要想取得明晰安稳的心电信号，心电扩大器中前置扩大器与滤波器的规划很要害，特别是50Hz的带阻滤波器特别重要。本文规划的以BiFET LF411型运放构成的心电扩大器可完成输出电压高增益、低噪声、高活络度，确保心电信号明晰安稳，满意临床监护以及病理剖析的要求。