利用右腿驱动技术的心电信号模拟前端设计

杨 正,王静敏,朱樟明,杨银堂

(西安电子科技大学微电子学院,陕西西安 710071)

利用右腿驱动技术的心电信号模拟前端设计

杨 正,王静敏,朱樟明,杨银堂

(西安电子科技大学微电子学院,陕西西安 710071)

在非屏蔽室条件下,心电信号检测是在强共模干扰下的微弱信号检测过程,为提高心电信号的检测效果,常采用右腿驱动电路来抑制电路的工模干扰.设计了一种高性能的心电信号检测放大器,将可编程增益放大电路及右腿驱动电路结合应用于模拟前端部分.可编程增益放大器采用AB类缓冲器结构,用于将心电信号检测信号放大,其可编程放大倍数为1,2,3,4,6,8,12,其共模抑制比可达129 dB,有效消除了共模干扰.

心电信号;放大器;右腿驱动;生物信号检测;共模抑制比

在现代社会,随着对自身健康关注的不断提高,人们对可穿戴医疗设备的需求也在不断提高.作为表征人体健康状况的生物医学信号,具有低频(赫兹-千赫兹)、低幅度(微伏-毫伏)的特点[1-2].在生物医学信号的获取过程中,极容易受外界环境的干扰,因而如何将这些信号从充满噪声的人体环境中提取出来极具挑战.传统上,医学上利用3个电极进行心电信号测量[3],如图1(a)所示.然而,为了在大共模电压条件下放大微小的差模生物电信号需要高的共模抑制比(大于80 dB)[4],这种设置并不适合.

在文献[1]提出的模拟前端设计中,仪表放大器的共模抑制比为122 d B,在文献[5]设计的心电信号检测(ElectroCardioGram,ECG)系统中,其仪表放大器的共模抑制比为78 dB,且增益固定,在实际应用中不够灵活.笔者的设计将可编程增益放大电路(Programmable Gain Amplifier,PGA)及右腿驱动(Driven-Right-Leg,DRL)电路结合应用于模拟前端部分,具有增益可编程功能,且共模抑制比达129 dB.笔者针对微型心电图的芯片设计和实现技术,将右腿驱动技术应用于前置放大器部分,有效消除来自人体的共模信号干扰,为保证ECG的效果,交流(Alternating Current,AC)耦合电路也包含在该设计中.图1(b)为可穿戴式生物信号监测系统的框图组成,其中包括信号调节电路、模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)及无线通信模块[1].

图1　心电检测系统框图

1　系统结构

无处不在的电噪声尤其是供电系统噪声,给生物电信号的测量提出了挑战,图1(c)所示为一个电源线与测量系统之间电场耦合的简化模型[5-7].

其中,Z1、Z2、Z3分别代表皮肤与3个电极之间的等效阻抗,C1和C2代表输电线与导联之间的耦合电容.Id1和Id2分别为由这两个电容耦合产生的电流,由于测量系统极高的输入阻抗,它们不会流入放大器.相反,它们会分别通过等效阻抗Z1、Z2流向人体.这种耦合产生的差分电压可计算为

为最小化这种电子干扰,必须尽可能阻抗匹配并减少皮肤电极阻抗,而这种由于电容耦合带来的电子干扰可以通过使用屏蔽信号连接来降低.

另外,Idb为电源线与人体之间的电场耦合所产生的耦合电流,在流过人体的过程中产生了共模电平Vcm,该电流最终通过两条路径流向地面,分别为电容C4及皮肤电极阻抗Z3.因此选择一个高共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio,CMRR)的放大器来抑制共模电压非常重要.另外,Vcm的影响也可以通过平衡皮肤电极阻抗Z1和Z2来降低,即

由式(3)可以看出平衡皮肤电极阻抗Z1、Z2的重要性.

降低共模噪声影响的另一种方法是使用DRL电路.DRL电路通过对差模电极对进行电压平均来检测共模电压,然后将这个电压放大、反向,最终通过第3电极反馈到人体.

1.1AC耦合电路

心电信号是人体中可以检测到的最大的生物电势,它由心肌的电极化和去极化产生.通常会利用导电电极测量身体表面上的心电信号.交流耦合电路的主要作用是使这个测量到的很小的交流信号有效地耦合到后继的信号处理电路,即后级的放大器、滤波器;同时屏蔽电极直流偏置电压,保护电极产生的小信号,防止放大器进入饱和状态,否则,将导致错误测量甚至丧失功能.

图2所示为AC耦合电路[8-9].该差分交流耦合网络不需要任何连接到地的电阻,从而优化了共模抑制效果,并实现了一阶高通滤波器.若R2C1=R3C2=τ,则系统的传递函数可以表示为

图2　AC耦合电路

在该设计中,R1=R2=4.7 MΩ,C1=C2=1μF,通过式(5)可得转折频率为0.034 Hz.

图3　差分放大器电路结构

1.2可编程增益放大电路

为保证足够的增益,采用了两级放大结构,如图3所示.第1级为折叠共源共栅结构,第2级为AB类输出级.为降低由class-AB驱动器带来的噪声和失调,在不影响放大器性能的条件下,采用了紧凑型的AB类输出级.由图3所示,包括两个共源连接的输出管M25和M26;浮动电流控制器由M19、M20构成;堆叠的二极管连接晶体管M23～M24和M21～M22分别为M19、M20的栅极提供偏置.浮动电流控制晶体管、堆叠的二极管连接晶体管以及输出管构成了两个跨导线性环M20、M21、M22、M25和M19、M23、M24、M26,这两个环路保持输出管的栅极电压为常数,确定了输出晶体管静态电流,使静态电流对电源电压不敏感[10-11].其原理如下:

假设VSS不变,当VDD变化ΔV时,M20的栅极也变化ΔV,有

由M25和M26的关系可知,

由式(8)知,M25栅源电压保持不变.当VDD不变,VSS变化时,推导过程类似.

图4　核心电路结构图

文中所述PGA如图4(a)所示.它由两个基本放大器PGAP、PGAN及可调电阻构成.根据心电输入信号的大小,获得相应的增益控制码,同时控制多路选择开关,选择对应的档位输出,即可获得不同大小的阻值,实现放大器增益的可编程控制.PGA电路的原理如下:

根据运放的虚短概念有

则通过串联电阻的电流I可以表示为

由式(12)可知,通过对电阻R1、R2设置不同的阻值,可以得到不同的增益.

该PGA的输出在进入ADC之前经过了RC滤波器的滤波.该滤波器由电阻Rs和电容Cf组成.除了消除输出的锯齿成分,也会抑制由于ADC的采样造成的PGA输出的毛刺,其转折频率可表示为

1.3右腿驱动电路

脑电(Eletro-Encepalo-Graph,EEG)、心电(ECG)、肌电(Electro-Myo-Graphy,EMG)等生物体表电信号是人体特定点与点之间的差模电压信号,均为毫伏、微伏级别的微弱信号.其中,心电信号幅度在0.5 m V～8 m V之间,典型值为1 m V.在非屏蔽室条件下,工频信号在人体表面造成的共模干扰在伏级或者更高.因此模拟前端的放大器不仅要有较大的增益,还要有很高的共模抑制比(70 dB～120 d B),CMRR太低的运放会影响心电图机的性能,太高又会产生高昂的成本.因此,在生物电采集系统中,前级放大电路的主要任务是:设法降低共模干扰电压.而右腿驱动技术是降低共模干扰的必要方法.

DRL电路如图4(b)所示.A1、Ri、Rf、Rl共同构成了DRL电路,其工作原理为:前置放大电路中两个相等的偏置电阻R1、R2取出人体的共模电压,该电压经反向,放大并反馈到右腿.右腿驱动电路将共模电平反馈回参考电极并且与原来的共模电平极性相反,适当选择电阻值可使得反馈电平抵消掉共模电平,从而在输入端实现对共模信号的抑制,大大提高整个电路的共模抑制比.本质上,它是一个共模电压并联负反馈电路,起到快速放电、有效衰减人体所带共模电压的作用.对图4(b)中DRL电路进行推导,有

其中,Vcm是前置电路的共模输入成分.实际中,由于电阻的精度问题,R3、R4必然存在阻值之差,设R3、R4精度为σ;R3、R4中间输出电压Vcm中还包含一定的差模成分,即Vcm=Vd+Vic,其中

由式(16)可知,Vcm中的差模成分为整个差分放大电路的差分输入的ε倍.由于差分输入信号(V1-V2)是毫伏微伏级别的信号,比共模输入信号Vic本来就要小3或4个数量级,再加上σ因素,Vd比Vic总共要小4或5个数量级,因此,R3、R4阻值之差对DRL电路的影响可以忽略不计.

另外,通过增加放大器的增益可以减少Vcm.其中R1和C1的设计用于系统稳定,对低频下共模抑制比的计算没有影响,可忽略.经推导计算,可得到共模电平表达式,即

由式(17)可看出,共模电平Vcm的衰减正比于Rf与Ri的比值,通过控制电阻的比值,可有效降低共模电平Vcm.身体的位移电流(id)没有流到地面,而是流向放大器输出,这对ECG放大器而言降低了干扰,另外也将病人有效地接地.

2　仿真及分析

基于SMIC 0.18μm、3.3 V标准互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor transistor,CMOS)工艺,采用Cadence Spectre对电路进行了仿真验证,电源电压设置为3 V.表1所示为放大器的性能参数.放大器的频率响应如图5(a)所示.CMRR随工艺角变化的仿真波形如图5(b)所示,其典型值为129 d B.由图5可知,该电路在工艺和温度变化的条件下依然有很强的共模信号抑制能力.

表1　两级放大器性能

图5　放大器参数仿真

图6　DRL测试及仿真

图6(a)所示为测试DRL功能电路结构,加入和未加入DRL电路的瞬态响应如图6(b)所示,虚线和实线所示分别为未加入DRL电路和加入DRL电路的输出电压.未加入DRL电路时,输出电压振幅达110μV,这对于输入信号几百微伏的电路会产生重大影响.

3　结束语

笔者设计了一种高性能的ECG放大器,将可编程增益放大电路及右腿驱动电路结合应用于模拟前端部分.可编程增益放大器将ECG信号放大,其可编程放大倍数为1,2,3,4,6,8,12.DRL电路用于降低共模干扰,其共模抑制比可达129 d B,有效消除了共模干扰.

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(编辑:王 瑞)

ECG front-end subsystem with the driven-right-leg circuit

YANG Zheng,WANG Jingmin,ZHU Zhangming,YANG Yintang
(School of Microelectronics,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

Under the condition of an un-shielding room,electrocardiogram(ECG)signal detection is a weak signal detection process with a strong common mode interference.In order to improve the performance of common mode rejection of the circuit,a driven-right-leg(DRL)circuit is often utilized.In this paper,a high performance ECG amplifier is proposed.The programmable gain amplifier(PGA)circuit and DRL circuit are applied at this analog front end.The PGA is utilized for ECGsignal amplification,with the programmable gain set at 1,2,3,4, 6,8,12.The DRL circuit is used to reduce common-mode interference.

electroence phalograph;amplifier;driven-right-leg;biopotential measurement;CMRR

TN4

A

1001-2400(2016)04-0166-06

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.04.029

2015-08-31

国家自然科学基金资助项目(61234002,61322405,61306044,61376033);国家863计划资助项目(2012AA012302, 2013AA014103)

杨 正(1989-),女,西安电子科技大学博士研究生,E-mail:zyanghbu@163.com.