移动医疗服务系统中的前置放大器设计与实现

引言
　　各种生物信号都属于低频的微弱自然信号，为了高精度,高速度地检测出背景噪声覆盖的微弱生物信号,高质量的前置放大器中一般都使用了低噪声运放。由于低噪声运放性能有别于普通运放,因而必须依据有关的噪声理论对低噪声运放进行分析和讨论,才能达到预期的效果。
　　对于人体电现象测量时，通常要求在若干测量点中取任意两点间的电位差值为输入量，据此，本文采用差动电路形式的前置放大器。
　　前置放大器的特点及选形
　　生物电是反映人体各种生理状态的一种重要信息，为了对生物信号进行各种处理和显示，必须首先将信号放大到所要求的强度。要获得便于单片机处理的心电信号,一方面要提高心电信号的信噪比,另一方面要将心电信号放大到足够幅度。为此,实现以上功能的生物电信号前置放大电路的设计就显得非常重要。
　　由于心电信号取自人体表面,信号源阻抗较大,背景噪声强。其干扰源来源广泛，主要有近场50Hz干扰和电极极化电压干扰。因为各种生物电信号中大都包含有50Hz的频率成分，而生物电信号的强度远远小于50Hz的干扰。电极与生物体之间产生的极化电压可达300mV。由于干扰源的影响，生物电前置放大器的放大倍数不能过大，以免干扰信号淹没有用信号。
　　因此要求采集心电信号的电路具有：1）高增益且可调节，生物电信号幅值小，因此应在保证共模抑制比较大的情况下提高前置放大器的增益；2) 高输入阻抗，a)生物电信号源本身是高内阻的微弱信号，通过电极提取又呈现出不稳定的高内阻性质。b)与放大器输入端相连的信号源内阻高达100kΩ,放大器输入阻抗应至少大于1MΩ。c)如果使信号源内阻与放大器输入阻抗之比为1/100，失真和误差可减小到忽略不计；3)高共模抑制比(CMRR值大)，为了抑制人体携带的干扰信号，选用差动放大形式，CMRR值越高，抑制干扰能力越强；4)低噪声，低噪声性能主要取决于前置级，正确分配放大器的增益等，可以获得良好的低噪声性能；5）低温漂，生物电信号大都为低频信号，基线漂移对测量带来严重影响。采用差动输入电路、设置复零电路等，能实现低漂移性能。
　　根据以上设计要求，选用ADI公司的高性能运放AD623，AD623是一个集成单电源|稳压器仪器|仪表放大器，它能在单电源（ 3V到 12V）下提供满电源幅度的输出。AD623允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到更好的用户灵活性，且符合8引脚的工业标准引脚配置。在无外接电阻条件下，AD623被设置为单位增益（G=1），在接入外接电阻后，AD623可编程设置增益，其增益最高可达1000倍。AD623通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比（AC CMRR）而保持最小的误差。线路噪声及谐波将由于共模抑制比（CMRR）在高达200Hz时仍保持恒定而受到抑制。AD623具有较宽的共模输入范围，它可以放大具有低于地电平150mV共模电压的信号，虽然AD623是按照工作于单电源方式进行的优化设计，但当它工作于双电源（±2.5V至±6.0V）时，仍然能提供优良的性能。
　　低功耗（3V时1.5mW）、宽电源电压范围、满电源幅度输出，使AD623成为电池供电应用的理想选择。在低电源电压下工作时，满电源幅度输出级使动态范围达到最大。AD623可取代分立的仪表放大器设计，且在最小的空间内提供很好的线性度、温度稳定性和可靠性。
　　电路设计
　　AD623是一个典型的三运放组合电路结构仪表放大器，能够满足对微弱信号的放大作用，具有高的放大倍数，高的输入阻抗和共模抑制比。内设过压保护和高精度偏置与反馈电阻，又有恒流源为射极提供稳定电流，有利于静态工作点及输入信号的稳定。外围电路简单，只需在1，8脚间接入合适电阻Rg，就可得到1~10000之间的增益，其计算公式为G=1 100K/Rg。AD623的内部结构如图1。
　　　　　　　　　　

　　但是随着增益的提高，共模抑制比就会有所下降，因此电路的对称性就尤为重要。前级采用双运放组成并联型差动放大器。理论上不难证明，在运算放大器为理想的情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大。
　　另外，在理论上并联型差动放大器的共模抑制比与电路的外围电阻的精度和阻值无关。在采用单电源供电的情况下，双端输入必须有一个公共的地，因此在输入端采用一种电阻分压电路，来提供虚拟的公共点，达到抑制共模干扰的效果。
　　此时，由于分压电路提供了一定的直流偏移量，基准电压REF就可以直接接地。在信号的双输入端，加入对地滤波电容，以消除由于导联导线所带来的射频干扰。由于射频信号属于高频信号，而人体的电阻相当于无穷大，所以所加的滤波电容数值不能太大，在100pF以下就可以。其具体电路如图2所示。
　　　　　　　　　　

　　通常在生理信号采集的过程中，加入右腿驱动电路，即通过电阻网络取出的平均交流共模电压，送入右腿驱动放大器反相放大，经限流电阻加到右腿电极，能够有效的抑制工频50Hz的共模干扰信号，而且，也可以省去AD623端分压电阻提供的共地信号，而由右腿驱动电路提供一个共地点。
　　但此时，虽然AD623能够用作单端供电方式，但是对于双极性信号，由于输入端没有分压电路提供直流偏移量，就会出现截波现象，如果不对基准电压REF进行合理的设置，就不能进行双极性放大，所以针对输入信号的大小及放大程度，合理调整基准电压值，使得信号放大完整且不失真。这里采用滑动变阻器外接REF法进行调整。电路结构如图3所示。
　　结语
　　本文采用由双运放差分放大电路，右腿驱动电路与仪表放大器AD623在单电源供电作用下组成的生物电前置放大器，该电路实用，能有效抑制共模信号，对微弱差模信号进行有效放大。通过实验验证，该电路性能良好，能够被广泛应用于医疗检测设备。