心電放大器（電池供電）設計報告一、設計意義心血管疾病是影響人們生活質量，造成死亡的重要原因，而反應心臟生理情況的重要科學依據就是心電信號。心電信號的檢測不同于普通的信號測量。其信號比較微弱，干擾強，個體差異大，所以希望設計一種抗干擾能力強，功耗低的直流心電放大器。而相比于交流放大器，直流心電放大器因為其功耗小，所以可以用電池供電，進而可以向著小型化，便攜化發展，有較高的應用價值。二、 心電總述1、 心肌細胞的跨膜電位心肌細胞的跨膜電位是指心肌細胞內外兩側的電位差，包括在靜息狀態下的靜息電位和興奮時的動作電位。人的心室肌細胞的靜息電位約為-90mv。當心肌細胞由靜息狀態進入興奮時，即產生動作電位。當心室肌興奮時，膜內電位從安靜狀態的-90mv很快上升到30mv，需時12ms，電位上升的最高速度達到800V/s。當心肌細胞除極后，立即開始復極。下圖為跨膜電位變化曲線。 跨膜電位變化曲線2、 心電的傳播心臟周圍的組織及液體都可以導電，被稱為容積導體，而且是三度空間的導體。心臟又是一個形態不規則的空腔肌肉器官，它的肌纖維行走方向不一致。興奮在心肌內向各個方向傳播的過程中，每一瞬間在心臟內形成很多雙極體，且其大小、方向都不一樣。心臟按竇房結結間束房室結左、右束支蒲氏纖維心室肌這一順序進行的興奮傳播，是在一個空間進行的。3、 心電波形圖上圖是正常人的心電波形圖圖中：l P波：代表左、右興奮時所產生的電變化，因心房電向量方向不同而相互抵消了一部分，故其幅度不大。l P-R間期：代表心房興奮到心室開始興奮經過的時間，一般成年人為0.120.20s。l QRS波群：代表心室興奮傳播過程的電位變化，一般在0.060.10s之間。l T波：反映心室復極過程的電變化。l QT間期：指由QRS波群起點到T波終點，由心室開始除極到完成所需時間，在心率為75次/s，Q-T間期小于0.4s。l U波：在T波出現后經0.020.04s可能出現的波，大都在0.05ms以下。4、 心電信號基本特征心電信號是一種較微弱的體表電信號，成年人的幅值約為10V5mV，屬低幅值小信號，常見的心電頻率一般在0.05100Hz之間，能量主要集中在17Hz附近，測量時心電電極阻抗較大，一般在幾百千歐以上，極易受到工頻干擾和體表其他干擾。三、 整體設計1、 主要干擾l 電極極化電壓引起的基線漂移：由于測量電極與生物體之間構成化學半電池而產生的直流電壓，最大可達300mv，因此放大器的前級增益不能過大，而且要有去極化電壓的RC常數電路。l 工頻干擾：50Hz的工頻干擾主要以共模形式存在，幅度可達幾伏甚至幾十伏，所以心電放大器必須具有很高的共模抑制比。l 肌電干擾：一般為幾百赫茲。l 其它儀器的干擾。2、 心電放大器的性能指標l 差模電壓增益：成年人心電信號幅值約為10uv5mv，放大器輸出信號一般在+5V-5V，因此要求放大器的差模電壓增益大于1000。l 頻率特性：頻帶寬度約為0.05100Hz。l 輸入阻抗：人體內阻，檢測電極與皮膚的接觸電阻通常為幾千歐，故前置部分要有較大的輸入阻抗，以提高信號索取能力，一般要求放大器的單端輸入阻抗不小于10兆歐。l 抗干擾能力：要求放大器的共模抑制比KCMR60dB。l 輸入回路電流：不大于0.1uA。l 噪聲水平：所有折算到輸入端的噪聲小于35uA。l 陷波：50Hz工頻干擾抑制濾波器20dB。3、 整體電路框圖前置保護電路前級放大輸出信號主放大器陷波電路低通濾波心電信號電池供電四、 單元電路設計與分析1、 前置保護電路與前級放大電路該電路功能分析：（1）前置保護電路心電放大器是人體與儀器直接接觸的儀器，所以在設計時必須要考慮到人體安全，故在放大器前加兩個穩壓二極管作為保護電路，防止外界過強信號進入電路毀壞儀器。（2）差動放大電路前級放大電路中，A1、A2、R1、R2、R3構成差動放大電路，在運算放大器為理想的情況下，輸入阻抗為無窮大，共模抑制比為無窮大。考慮到前級存在極化電壓，此級放大倍數不宜過大，所以選取R1=R3=20K，R2=10K。其理論增益為（R1+R2+R3）/R2=5。（3）時間常數電路測量電極與生物體之間構成化學半電池而產生的直流電壓，最大可達300mv，所以這部分電路主要用于消除極化電壓以及其余低頻干擾。C1、R6和C2、R7構成高通濾波器，設計截止頻率為0.05Hz,根據f=1/(2RC)，選取R6=R7=320K，C1=C2=1uF。（4）共模驅動電路由圖可知，A3的輸入信號取自A1和A2輸出端串聯電阻的中點電壓，即只有當A1、A2輸出相等時，中點電壓為0，即A3輸出電壓也為0，相當于接地。而當共模信號和差模信號一起輸入時，A3的輸出只包含輸入信號的共模部分，從而使得共模信號不經過時間常數電路的分壓直接加在集成運放的輸入端，避免了由于時間常數電路的不匹配而降低整體電路的共模抑止。考慮到前級放大的驅動能力，選取R4=R5=100K。（5）右腿驅動電路右腿驅動電路的作用是減小位移電流的干擾并增加共模抑制比，在右腿接入一反相放大器，并與儀表放大相連，可將共模信號抑制1+K倍，K為反向放大倍數，C3的作用是使右腿驅動電路穩定。選取R9=10M,R8=10K，C3=4700pF。（6）儀器放大器構成的后級放大電路此處設計3種可供選擇方案方案A選擇INA128/INA129作為主放大器，它具有以下特性：電源范圍2.2518V，共模抑制比最小為120dB，最大失調電壓50uV，最大失調電流10nA，最大偏置電流5nA，增益可調11000。G=1+50K/Rg（INA128）；G=1+49.4K/Rg(INA129)方案B選擇AD620作為主放大器，電源范圍2.318V，共模抑制比最小為100dB，最大失調電壓50uV，最大失調電流0.5nA，最大偏置電流1nA。G=1+49.6K/Rg方案C選擇MAX4194作為主放大器，電壓范圍2.77.5V，軌至軌特性，共模抑制比最小為115dB，最大失調電壓50uv，最大失調電流3nA，貼片式。方案D選擇INA118作為主放大器，電壓范圍1.3518V，低功耗，共模抑制比最小為120dB，最大失調電壓50uV，軌至軌特性。G=1+50K/Rgl 前級放大電路中其余放大器的選擇方案ALM3244組獨立的高增益的、內部頻率補償、輸入偏置電流是溫度補償的、單位增益帶寬是溫度補償的運算放大器，既可以單電源使用，又可以雙電源使用，其最低供電電壓為2.5v單電源或1.25v雙電源，共模抑制比大于65dB，成本很低。方案BOPA4251單電源微功耗運算放大器，軌至軌輸出，供電范圍2.736v，輸入失調電壓0.25mv，最大輸入偏置電流為20000pA，最小共模抑制比為100dB，成本相對較低。注：軌至軌特性軌至軌(rail-to-rail)性能軌至軌輸出提供了最大的輸出電壓擺幅，實現了最寬的動態范圍。在信號擺幅受到限制的低工作電壓場合，軌至軌性能尤為重要。軌至軌輸入性能通常用于緩沖(G=1)的單電源應用中，以達到最大的信號擺幅。同時還可以用于其它的應用，具體取決于放大器增益及偏置電壓方面的考慮 。一般的運放輸出的電壓幅度是達不到電源電壓的，會有1V左右的壓差，而軌至軌（rail to rail）的運放 不一樣，電源是多少，輸出的最大幅度就能達到多少，還有是它的差分輸入電壓也能達到電源電壓。 2、 低通濾波方案A采用MAX291八階巴特沃斯濾波器，它具有以下特性：單電源5V雙電源5V，轉折頻率：振蕩頻率=1:100，內部或外部時鐘，外圍電路簡單，僅需一個電容，容值決定振蕩頻率。f(KHz)=105/3C(pF),fo=100Hz,C=3300pF方案B采用LTC1062集成濾波芯片，它具有以下特性：低通帶噪聲，單電源5V，雙電源8V，五階濾波器，內部或外部時鐘，快速衰減3、50Hz陷波電路由于室內照明和動力設備帶來的干擾，頻率處于生理信號的頻帶范圍內，所以要用50Hz陷波器將其濾掉。消除工頻干擾的方法是使用帶阻濾波器，它使在規定范圍內信號不能通過，而其他頻率信號正常通過。利用雙T網絡和運算放大器構成的有源雙T陷波器。Rw為可變電阻，根據Q=1/4(1-)（為可變電阻中間滑頭與接地之間的電阻與可變電阻總阻值的比值），調節Rw改變Q值，由fo=1/2RC可得R=1/2foC，其中fo=50Hz，考慮到實驗室的電阻和電容的標稱值，選取R1=R2=30K，C1=C2=0.11F，C3=C4=0.22F。放大器選擇OPA1013特性：1 SINGLE POWER SUPPLY OPERATION 2 INPUT VOLTAGE RANGE TO GROUND 3 OUTPUT SWINGS NEAR GROUND 4 LOW QUIESCENT CURRENT:550A max 5 LOW Vos:300V max4、 主放大電路C1為隔直電容，減小極化電壓的影響。C2為防止電路發生自激震蕩，使電路工作穩定。加R3為的是使電路對稱。前級已經放大了大約100倍，所