AD620和AD204在生理参数测量放大器的应用

【摘要】本文介绍应用AD公司新一代高性能隔离放大器和高精度、低噪声仪用放大器，设计新一代多通道、高性能生理参数放大器。

1引言

生理参数测量放大器是测量生物电位、血压、体温等生理参数的重要单元电路。目前，绝大多数的生理参数放大器均采用三运放仪用放大器，并辅之以分立器件的悬浮电路，虽然可以满足一般要求，但由于集成化低，所用元件多，结构复杂，调试困难，难以满足当前各种微弱生理参数测量的高稳定性、高共模抑制比、高安全性的要求。笔者经几年研究、试验，采用AD公司生产的AD620高精度仪用放大器和AD204小型隔离放大器两个集成模块，可以任意构成心电、脑电、肌电、心室晚电位、高频心电、希氏束电图等各种微弱电位测量放大器，保证了性能的完美，指标的提高，使设计调试极度简化，而器件数量一般可以降至普通电路的1/5，满足生理信号的前置放大，隔离放大的低噪声、低飘移、高阻抗、高共模抑制比，高绝缘性能的要求，解决了多年来不易解决的难题。

2AD620和AD204的性能

2.1.AD62O的性能

AD62O采用激光晶片校准工艺，使电路元件间的匹配和跟踪性能完好，从而保证了该电路固有的高性能。图1是AD62O的简化电路结构与连接图。

图1

如图1所示，，TZ为超R结构，接成差分双极性输入方式，使电路具备了较高的输入阻抗和高精度性能。AI，AZ，A3类似三运放结构，由A3消除所有的共模信号，其增益为G一(RI+RZ)/Rg+1。由于Rg系外跨结构，可以通过它方便地调整放大器的增益，由于RI，RZ已校准到绝对值24.7K，其增益公式为：G一(RI+RZ)/Rg+1一49.4K/Rg+1，因此Rg一49.4K/(G-I)。AD620采用8脚DIP封装，其尺寸比三运放电路成倍下降，功耗更低，仅1.3mA。由于超p处理，使输入偏置电流仅为InA，保证了模块的高阻抗、低噪音和高共模抑制比。在低频使用时，其噪声水平仅O.28pV。。，输入阻抗可达IOG欧，共模抑制比可达14OdB。

2.2AD204的性能

从生理参数测量放大器的安全性能上讲，国际电工委员会(IEC)在通用安全标准方面要求是相当苛刻的，若不采用隔离，很难达到病人漏电流小于O.ipA的技术要求。目前常用的浮地式技术有电磁耦合和光电耦合两种。光电耦合的频率特性较好，线性度相对较差;电磁耦合的线性度优于光电耦合，但因需调制、解调电路，还要绕制变压器，工艺复杂。由于AD204采用了表面安装工艺和集成模块化技术，克服以上缺点，在频响要求相对较低的生理参数放大器方面，提供了较为理想的应用器件。光电耦合器尽管甩掉了电源变压器，但由于前级供电仍需悬浮电源，也无法摆脱绕制变压器之烦琐，因此这更加突出了隔离模块兼有悬浮供电电源的优越性。

AD2O4其主要技术性能：

①尺寸较小：每英寸可安装四个通道;

②低功耗：典型功耗为35mw;

③高准确性：最大非线性失真度只有O.O25%(K级);

④高共模抑制性能：当增益为IO0倍时，可达130dB;

⑤频率特性：通频带可达SKHZ;

⑥高绝缘隔离：击穿电压可达2000V峰值(K级);

⑦具有隔离电源输出。

图2

如图2所示，AD204采用调幅技术实现将信号变换耦合，达到悬浮放大的目的。它包含一个运放、调制器、解调器和一个电源变换系统。电源变换器被25KHZ，峰值为15V的方波所驱动，这个方波来自外部的配套电路AD246。整个隔离器的输出电压和运放的输出电压相等，也就是说，隔离器具有单位增益。而运放可以通过不同的连接获得所需的放大增益。调制器和解调器采用25KHZ方波驱动，其VISO十和VISO一为模块的电源输出，以提供被悬浮了的上一级放大器，其最大负荷为ZmA，输出土7.SV。

AD246为一时钟驱动器，它可以从单一的15V电源获得AD2O4所需的25KHZ时钟信号，该时钟电路可以在最小额定电压14.25V时操作至少32个AD2O4，并且每提高4OmV供电电压可多驱动一个隔离器。其电路连接如图3所示。

图3

3AD620和AD204的应用

3.1 ECG前置放大器

图4为使用AD620的EGG前置放大器，采用土SV电源供电。其增益为IO倍，接成右腿驱动方式，AZ取出干扰信号将其反相，反馈到右腿以抵消右腿产生的共模抑制信号，以此来提高共模抑制比。由图可见，由于采用AD620，使原来复杂的前置放大器设计，变得容易多了。调整元件和分立器件的减少，使电路的可靠性得以大大提高。

图4

3.2医用隔离放火器

AD204在医用生理参数测量中，主要可用来对信号进行悬浮隔离，同时可以做前置放大器的第二级，为保持较高的输入阻抗，反馈电阻Rf必须保持20Kfl才能使模块保持最佳效果。当增益大于5时，需在FB和IN-COM端子上接一个100PF的电容。

图5给出了一个典型医用隔离放大器的实际应用例子。

图5

该电路由AD620和AD204组成，由AD246供电，组成了一个有创血压的悬浮式放大电路。其中BP为血压传感器，RI，Bp，WI支路提供血压传感器的工作偏置和输出零位，AD620做第一级放大器，AD204做第二级放大器兼做隔离器。Rg取1至10K，通过RZ，WZ调整反相器的放大比例，R4，RS，W3为调零电路，可以移去传感器固有的直流飘移电位。适当配置后级放大，即是一隔离式有创血压监护仪的良好放大电路。

3.3AD620和AD2O4在微弱生理信号测量中的综合运用

心电信号中的微弱信号如心房晚电位、心室晚电位、希氏束电图及脑电诱发电位等信号，幅值十分微小，仅数微伏，又需隔离，使用AD62O和ADZO4构成的配合电路，十分适用。

采用AD62O和AD2O4配合，采用TLO64四运放九片集成电路可构成12导联ECG放大器，该放大器通过重新定义电极完全可以完成心室晚电位、心房晚电位、心电向量图、高频心电图、希氏束电图、及脑电、肌电图的放大任务。但电路须与微机密切配合才能正常工作。在导联设置上，本电路只采集了1，11和VI—V6的信号，其余的导联Ill，AVR，AVL，AVF是通过计算机采用数学方法计算所得。ECG放大采用了直接耦合方式，没有设置耦合电容。驮伏于ECG信号的直流成份如极化电压等，将会使心电信号以大幅度飘移，无法进行采集和分析。本放大器设计了D/A转换器直流电平移去电路，其原理是这些直流分量被A/D转化器量化后，被计算机所识别，然后求反将其数字信号输入D/A转换器，其转换后的电压与极化电位相反，予以抵消，从而保证了输出的零电平。由于消除了耦合电容，使放大器的过渡时间接近于零，极大提高了放大器的稳定性。

4.结果与讨论

本文采用的AD62O和AD2O4模块极大地简化了电路的设计，也省略了元器件的选配和调试，从而较好地提高了性能。

本文介绍的电路采用较好的工艺措施，可保障微伏以下级别的性能和120dB以上的共模抑制比，更可达到K级以上的高绝缘性能，从而为低噪声、微信号、高性能悬浮放大器提供了良好的器件基础，通过本文，借以达到抛砖引玉的结果。