心电图前端的信号采集挑战

　　心壁收缩产生的动作电位将电流从心脏传遍全身。传播电流在身体的不同位置产生不同的电位，可由电极通过使用金属和盐制成的生物变送器在表皮感应到。此电位是一种带宽为 0.05Hz 至 100Hz(有时高达 1kHz)的 AC 信号。存在更大的外部高频噪声加 50Hz/60Hz 干扰的正常模式(与电极信号混合)和共模电压(所有电极信号共有)时，它的峰至峰值一般约为 1mV。

　　共模由两个部分组成：(1) 50Hz 或 60Hz 干扰和 (2) DC 电极偏移电位。生物物理带宽范围内的其它噪音或更高频率来自移动伪像，移动伪像会改变皮肤电极接口、肌肉收缩或肌电图峰值、呼吸(可以是有节奏的或无节奏的)、电磁干扰 (EMI) 以及源自输入耦合的其它电子器件的噪声。有些噪声可借助高输入阻抗仪器放大器 (INA)(例如 INA326 或 INA118)来抵消，这种放大器可消除两种输入都常见的 AC 线路噪声，并放大输入中存在的剩余不规则信号;IA CMR 越高，噪声抑制就越高。由于它们发生在身体的不同位置，左臂和右臂 ECG 信号将处于不同的电压水平，并被 IA 放大。要进一步抑制 50Hz 和 60Hz 的噪声，可使用推导共模电压的运算放大器倒转共模信号，并使用放大器 A2 通过右腿驱回病人体内。仅需要几微安培或更弱的电流就可取得显著的 CMR 改进，并维持在 UL544 限制内。

　　三个 ECG 电极通过具有 5V 单电源的 CMOS 器件与病人相连。

　　电源电压

　　与大多数其它应用一样，生物物理监控的系统电源电压持续趋于较低的、单电源电平。尽管双极电源仍在使用，5V 系统现已很常见，并趋向于 3.3V 单电源。这一趋势为面对 500mV 电极电位的设计人员带来一项重大的挑战，并强调了对精度信号调节解决方案的需求。尽管以下讨论 集中在单电源设计上，所涉及的原理同样适用于双极电源设计。下面列出了单电源和双极电源器件的推荐列表。

　　频率响应

　　用于病人监控的标准 3dB 频率为 0.05Hz 至 30Hz，而诊断级监控需要 0.05Hz 至 100Hz 或更高频率。虽然 ECG 波形的重要特性具有超低频率的特点，所有 ECG 前端都必须与 AC 耦合，以便从电极偏移电位中移除伪像。

　　电极电位

　　由于电极电位可达到 +/-500mV，因此可通过 AC 耦合在低频下消除电极电位的影响以实现精确测量。反馈配置中的 DC 恢复放大器将 DC 偏移调零。如果左臂 DC 偏移为 +300mV 而右臂电极为 0V DC，则差动输入电压为 300mV。由于仪表放大器具有 10 的增益，因此仪表放大器的输出显示为 3V。如果增益为 50 或以上，输出放大器会尝试将信号向上驱动至 150V，但永远不会达到这一电压，因为反馈集成器会对参考点应用等伏负电压。利用此线性求和效果，3V 正偏移由负 3V 校正电压所抵消。该 DC 恢复的结果是将原 DC 耦合放大器转变为 AC 耦合放大器。因为 DC 电极偏移已经消除，所以输出级可放大信号，在不饱和的情况下最大程度地扩展数据转换器输入范围。

　　仪表放大器要求

　　低增益下的稳定性(G = 1 至 10)

　　高共模抑制 (CMR)

　　低输入偏置电流 (IB)

　　良好的输出轨摆幅

　　超低偏移和漂移

　　运算放大器要求

　　低噪声，高增益(增益 = 10 至 1000)

　　轨至轨输出

　　超低偏移和漂移