利用对消驱动提高心电信号测量共模抑制的原理分析:共模信号

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，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。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，对于医生的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。

如图1所示，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，U1A，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

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*jwC2jwC1*jwC2*R8+jwC1*jw C2*R9) (4)

带入常用电路的典型参数：

R8 =10kΩ，R11 =100kΩ，R9=1MΩ，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Vin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。

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89dB的标准要求。

共模干扰的共模抑制比公式：

共模抑制比CMRR是差模电压放大倍数Aud与共模放大被数Auc的绝对值之比

CMRR=│Aud/Auc│ 或者CMR=20lg│Aud/Auc│(dB)

共模干扰：指的是干扰电压在信号线及其回线(一般称为信号地线)上的幅度相同，这里的电压以附近任何一个物体(大地、金属机箱、参考地线板等)为参考电位，干扰电流回路则是在导线与参考物体构成的回路中流动；

共模抑制：为了说明差分放大电路抑制共模信号及放大差模信号的能力，常用共模抑制比作为一项技术指标来衡量，其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比，称为共模抑制比，英文全称是Common Mode Rejection Ratio，因此一般用简写CMRR来表示，符号为Kcmr，单位是分贝db。