AD620和AD204在生理参数测量放大器的应用

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AD620和AD204在生理参数测量放大器的应用

沈丹 发表于 12-07 收藏 已收藏

  【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。

  AD620和AD204在生理参数测量放大器的应用
图1

  如图1所示,TI,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。

  AD620和AD204在生理参数测量放大器的应用
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。

  AD620和AD204在生理参数测量放大器的应用
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。

  AD620和AD204在生理参数测量放大器的应用
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。

 AD620和AD204在生理参数测量放大器的应用
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。

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