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摘要：心电图（ECG）设备的普及程度已显著加深，随着电子和机械设计的进步，如今的ECG已能够自主进行各种信号分析、提供实时显示，甚至使便携式设备能记录长时间的心电活动。这些高级功能依赖于心电信号的精确捕捉和调理，这使得放大器的选择和设计成为ECG系统成功的关键因素。此技术文章重点分析了心电图（ECG）用放大器的设计注意事项，其中包括信号调理、共模抑制、失调校正以及噪声消除等。
关键词：心电图；放大器；共模抑制；信号电压；失调电压；噪声；输出摆幅
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.3.018
多年以来，心电图（ECG）设备的普及程度已显著加深，技术进步使此类设备的检测结果日益实用。在设计ECG时，必须考虑几点，其中之一是调理此类系统的信号所要使用的放大器。
心电图概述
ECG用于监视心电活动。随着心脏壁的收缩，生物电流遍布人体，产生变化的电压。放置在皮肤上的电极可检测到这些电压，从而可监视心脏活动。
最简单的ECG提供了心脏运动的波形图，可显示在屏幕上或直接打印到纸上。更先进的设备将提供其他功能，如存储波形、无线数据传输和各种级别的后信号处理。图1显示了ECG的高级框图。信号调理电路中使用的放大器在图的左下角以绿色突出显示。
信号调理的挑战
根据系统和所需的分析类型，最常见的配置是将3个、5个甚至10个电极连接到人体的不同部位。在皮肤上检测到的电压范围为100μV到3mV。不过，每个电极的直流电压可能接近于300mV。因此，前端检测电路必须能够在存在较大共模电压时检测到极小的电压。另一个挑战是要应付各种噪声源，例如来自顶灯或监视器的50或60Hz干扰、患者的移动以及来自设备其他部分的电磁干扰。
由于有用信号的幅值极小，因此使用放大器从共模电压和噪声中提取心电信号，并提供信号增益。此类应用中一些重要的放大器参数包括共模抑制、输入失调电压和失调电压漂移、输出摆幅以及放大器噪声。
共模抑制
如前文所述，放置在患者皮肤上的电极可能有大约数百毫伏的直流电压，而有用信号的电压通常小于一毫伏。仪表放大器配置非常适合这种情况，该放大器将消除任何与差分输入共模的信号（来自电极或任何共模噪声，如60Hz干扰），同时放大有用的心电信号。在这种情况下，考虑放大器电路的共模抑制参数是非常重要的，不仅针对直流信号，还要考虑跨频率，尤其是线路频率为50或60Hz时。具有高共模抑制比的放大器将消除更多不需要的噪声并实现更高精度的测量。
输入失调电压和失调电压漂移
由于有用电压相当小，放大器需要提供增益来提高检测电路的分辨率。此应用需要高增益，因此放大器的失调电压非常重要。放大器产生的任何失调电压都将乘以电路增益。例如，假定心脏收缩在皮肤上的一个指定电极上产生1mV电压。假定放大器电路的增益设置为1000，则放大器电路的理想输出为1V。但是，如果放大器的输入失调电压为100μV，则将在输出产生100mV的误差（占有用信号的10%）。需要记住的是，放大器的输入失调误差以输入为参考，因此，误差将与放大器的增益成比例。
与所有电子元件一样，放大器的特性会随时间和温度发生变化。放大器的电压失调尤其如此。电压失调是误差的来源，随着失调电压的漂移，此误差可能变得更大。通过选择低漂移放大器（如采用自动调零拓扑的放大器）或者定期执行系统校准以校正失调和漂移，可最大程度地减小误差源。
放大器输出摆幅
在前面的示例中，电极上的1 mV电压变化会在放大器电路的输出上产生1V的电压变化。对于5V单电源系统，这表明放大器电路可精确检测到0到5mV的电压，只要放大器输出能摆动到两条电源轨。如果放大器不支持轨到轨输出摆动，则能够精确检测到的总电压范围会变小，从而限制检测电路的动态范围。
放大器噪声
当评估此类应用的放大器时，另一个必须考虑的重要参数是放大器噪声。请记住，放大器的噪声可能不会随频率保持恒定，尤其是在1/f噪声可成为主要噪声源的低频率下。在ECG应用中，有用的信号带宽通常为直流到100Hz，因此1/f噪声仍将是误差源之一。
结论
ECG设备最初仅用于显示心电活动。随着电子和机械设计的进步，如今的ECG已能够自助进行各种信号分析、提供实时显示，甚至使便携式设备能记录长时间的心电活动。这些高级功能依赖于心电信号的精确捕捉和调理，这使得放大器的选择和设计成为ECG系统成功的关键因素。
关键词：心电图；放大器；共模抑制；信号电压；失调电压；噪声；输出摆幅
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.3.018
多年以来，心电图（ECG）设备的普及程度已显著加深，技术进步使此类设备的检测结果日益实用。在设计ECG时，必须考虑几点，其中之一是调理此类系统的信号所要使用的放大器。
心电图概述
ECG用于监视心电活动。随着心脏壁的收缩，生物电流遍布人体，产生变化的电压。放置在皮肤上的电极可检测到这些电压，从而可监视心脏活动。
最简单的ECG提供了心脏运动的波形图，可显示在屏幕上或直接打印到纸上。更先进的设备将提供其他功能，如存储波形、无线数据传输和各种级别的后信号处理。图1显示了ECG的高级框图。信号调理电路中使用的放大器在图的左下角以绿色突出显示。
信号调理的挑战
根据系统和所需的分析类型，最常见的配置是将3个、5个甚至10个电极连接到人体的不同部位。在皮肤上检测到的电压范围为100μV到3mV。不过，每个电极的直流电压可能接近于300mV。因此，前端检测电路必须能够在存在较大共模电压时检测到极小的电压。另一个挑战是要应付各种噪声源，例如来自顶灯或监视器的50或60Hz干扰、患者的移动以及来自设备其他部分的电磁干扰。
由于有用信号的幅值极小，因此使用放大器从共模电压和噪声中提取心电信号，并提供信号增益。此类应用中一些重要的放大器参数包括共模抑制、输入失调电压和失调电压漂移、输出摆幅以及放大器噪声。
共模抑制
如前文所述，放置在患者皮肤上的电极可能有大约数百毫伏的直流电压，而有用信号的电压通常小于一毫伏。仪表放大器配置非常适合这种情况，该放大器将消除任何与差分输入共模的信号（来自电极或任何共模噪声，如60Hz干扰），同时放大有用的心电信号。在这种情况下，考虑放大器电路的共模抑制参数是非常重要的，不仅针对直流信号，还要考虑跨频率，尤其是线路频率为50或60Hz时。具有高共模抑制比的放大器将消除更多不需要的噪声并实现更高精度的测量。
输入失调电压和失调电压漂移
由于有用电压相当小，放大器需要提供增益来提高检测电路的分辨率。此应用需要高增益，因此放大器的失调电压非常重要。放大器产生的任何失调电压都将乘以电路增益。例如，假定心脏收缩在皮肤上的一个指定电极上产生1mV电压。假定放大器电路的增益设置为1000，则放大器电路的理想输出为1V。但是，如果放大器的输入失调电压为100μV，则将在输出产生100mV的误差（占有用信号的10%）。需要记住的是，放大器的输入失调误差以输入为参考，因此，误差将与放大器的增益成比例。
与所有电子元件一样，放大器的特性会随时间和温度发生变化。放大器的电压失调尤其如此。电压失调是误差的来源，随着失调电压的漂移，此误差可能变得更大。通过选择低漂移放大器（如采用自动调零拓扑的放大器）或者定期执行系统校准以校正失调和漂移，可最大程度地减小误差源。
放大器输出摆幅
在前面的示例中，电极上的1 mV电压变化会在放大器电路的输出上产生1V的电压变化。对于5V单电源系统，这表明放大器电路可精确检测到0到5mV的电压，只要放大器输出能摆动到两条电源轨。如果放大器不支持轨到轨输出摆动，则能够精确检测到的总电压范围会变小，从而限制检测电路的动态范围。
放大器噪声
当评估此类应用的放大器时，另一个必须考虑的重要参数是放大器噪声。请记住，放大器的噪声可能不会随频率保持恒定，尤其是在1/f噪声可成为主要噪声源的低频率下。在ECG应用中，有用的信号带宽通常为直流到100Hz，因此1/f噪声仍将是误差源之一。
结论
ECG设备最初仅用于显示心电活动。随着电子和机械设计的进步，如今的ECG已能够自助进行各种信号分析、提供实时显示，甚至使便携式设备能记录长时间的心电活动。这些高级功能依赖于心电信号的精确捕捉和调理，这使得放大器的选择和设计成为ECG系统成功的关键因素。