精密低功耗：了解生物电位信号链中的CMRR和RLD

作者：Antonius

在上一篇博文中，我们展示了使用AD4130-8的直流耦合生物电位配置，并参考了用于将主体偏置至中间电源的第三个电极。我们提到这不是真正的右腿驱动（RLD），这对于电池供电的解决方案可能是可以接受的。今天的帖子将阐明为什么会这样，以及使用三个电极与两个电极进行单通道生物电位测量有哪些好处。

输入偏置

首先，我们谈谈第三个电极在偏置中的用途。由于生物电势信号和干扰源是完全差分的，理想情况下，测量电极的电路需要偏置在接近中间电源的某个地方。还应考虑电路的共模输入范围。在双电极溶液中，主体浮动到某个未知电位，因此必须添加电阻以向输入提供直流偏置以及输入偏置电流返回路径。这导致测量电极的电路的输入阻抗降低。通过添加第三个电极，输入可以通过穿过主体的低阻抗路径设置为相同的直流偏置，而无需额外的组件，从而保持高输入阻抗。请参阅下面图 1 中的此比较。

图 1 – 带 2 个和 3 个电极的偏置输入

共模抑制比 （CMRR）

在双电位信号链中，典型的共模干扰源是来自交流电源的50/60Hz。身体充当天线，这个 50/60Hz 信号可以显示在电极上。虽然仪表放大器等元件的数据表上的CMRR规格很重要，但它只是系统CMRR的一部分。本数据手册规格是比较共模信号增益（A厘米） 到差模信号的增益 （A分米):



理想情况下，共模增益非常小，CMRR应该很高（例如100dB）。请务必查看典型性能曲线（TPC）以及CMRR与频率的关系（参见图8237中的AD2示例）。有时，数据表规格表仅提供直流时的 CMRR。

图2 – 不同增益下AD8237的CMRR与频率的关系

系统共模抑制比

影响整个系统CMRR的其他因素包括共模（CM）到差模（DM）转换以及隔离与非隔离解决方案。我们在第二篇博客中讨论了CM到DM的转换，当时在最前端讨论了交流耦合。进行差分测量时，任何接触输入的东西都需要平衡。这包括偏置电阻器、RFI 滤波器、电缆、连接器、印刷电路板，甚至电极本身。图 3 显示了一个示例，以及 CMRR 与频率的关系如何受到影响。

图 3 – 系统CMRR与频率的失配效应示例

为了模拟50/60Hz注入人体的情况，可以使用一个简单的电容分压器，并用从主体到交流电源的电容（Ct）和从体到地的电容（Cb）来表示。非隔离电路在系统接地和接地之间将存在直接短路。隔离电路（如电池供电解决方案）在隔离接地和接地之间具有一定的杂散电容（C杂散），如图4模型所示。您可以看到第三个电极（Ze3）的好处，因为它提供了从主体到地面的直接路径，在电容分压器周围分流并降低测量电极（Ze50，Ze60）拾取的1/2Hz电压。否则，在2电极溶液中，50/60Hz电流路径通过Zc1和Zc2共模输入阻抗。这导致输入电极上的共模电压较大，然后由于不匹配而转换为差模。

图 4 – 分离的 2 电极和 3 电极生物电位测量模型

右腿驱动

右腿驱动这个名字来自通常放置第三个电极的位置（离心脏最远）进行心电图测量。然而，第三个电极不限于这个位置。该电路通过检测输入端的共模（Vcm）、缓冲、反相（通常使用积分器电路）并驱动回体内来构建。这会产生一个反馈环路，其中50/60Hz时的较高环路增益可改善共模抑制。参见图8233中推荐用于AD5的示例电路和积分器传递函数。积分器交越频率设定为 ~1kHz。推到更高的频率会增加不稳定的风险，因此这里有一个权衡。

图5 AD8233 RLD积分器电路和传递函数示例

请注意，对于非隔离解决方案或较大值的Cstray（例如带隔离的交流电源供电解决方案），该电路将更有效。随着Cstray变小，隔离解决方案还将改善系统CMRR，允许电池供电的测量电路随着共模上下移动。