對消驅動電路提高共模抑制比的原理分析

心電信號是人體特定的點與點之間的差模電壓，信號幅度在0.5mV~8mV之間，典型值為1mV。心電受到的工頻干擾非常強，一般情況下人體的工頻幅值在V級，比心電信號大3個數量級，工頻干擾常以共模形式出現。

在如此強的工頻干擾中檢測出微弱的心電信號是一大挑戰，這就要求運放具有很高的共模抑制比，一般要求在60~120dB之間，太低了影響心電圖機性能，太高的運放成本上會讓人難以接受。采用高共模抑制比的前置放大器，如在50Hz時80dB共模抑制比的儀表放大器是屬于性能比較好的產品，這樣工頻干擾的幅值還是達到了信號幅值的十分之一，對于醫生診斷來說是不能接受的，心電圖機普遍采用對消驅動電路來進一步增強共模抑制能力。

圖1:對消驅動模型

U2A和R9，R10，R11，C7共同組成了右腿驅動電路，其原理是通過R6，R7從人體取出共模電壓反向加到人體。下面我們通過公式來說明對消驅動的作用，計算中忽略C5，C6，1A,U1B 的誤差對共模抑制比的影響，同時R10和C7是為了系統穩定而設計的，不影響低頻時共模抑制比的計算，計算時忽略，公式推導如下：

U1A，U1B作用是阻抗變換的跟隨器，有：

Vcom=Vin (1)

U2A 組成了一個反向放大器，其傳遞函數為：

Vout=-(R9*Vcom)/R8 (2)

根據基爾霍夫電流定律有：

(V1-Vin)* jwC11=Vin* jwC2+(Vin-Vout )/R11 (3)

得到Vin傳遞函數為：

Vin=R8*R11*JWC2/(R8*R11* jwC1+R8*R11* jwC2+jwC1* jwC2*R8+ jwC1* jwC2*R9 ) (4)

帶入常用電路的典型參數：

R8=10kΩ，R11=100kΩ，R9=1M，C2=100pf不考慮電容的相位影響，略去極小項則：

Vin=R8*R11* jwC2/(R8+R9) (5)

在以上參數下Vsub>in幅值為：

Vin=1 /3000=-69dB (6)

按照上述參數設計的右腿驅動電路理論上可以提供69dB的共模抑制比，這是一個對消驅動簡化模型，實際電路中考慮到阻容的誤差，濾波電容對相位的影響，運放的延遲等等，右腿驅動的共模抑制能力會劣化甚至產生震蕩，具體的電路需要根據需要進行調整。

圣邦微電子在對消驅動電路上做了很多驗證工作，如器件的選擇、線路板設計、電源結構等，在本篇文檔不再詳述，請參考圣邦相關技術資料。按照圖1所示電路制作了驗證板，實測共模抑制比為50dB，這樣我們選擇一顆共模抑制比60dB以上的集成或分立器件搭成的儀表放大器，整個系統就可以達到89dB1的標準要求。