4、前端模拟电路设计（一）：仪表放大器选型与设计（AD620/INA128），增益计算与共模抑制比优化
心电信号有多微弱？
峰峰值也就1mV左右，还夹杂着50Hz工频干扰、肌电噪声、电极极化电压……说白了，你面对的是一个“小信号+大噪声”的棘手组合。这时候，前端的第一级放大器就至关重要了。
我个人习惯，心电前端必选仪表放大器。为什么？因为它天生就是为这种场景设计的——高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、增益可调。今天咱们就聊聊两款经典芯片：AD620和INA128。
4.1 为什么是仪表放大器？
普通运放行不行？理论上可以，但实际很难。
你想想看，心电信号是差模信号，而工频干扰是共模信号。普通运放搭成差分电路，需要外部电阻精密匹配，稍有偏差，共模抑制比就掉得厉害。我早年踩过这个坑，用四个1%电阻搭差分放大，结果CMRR实测只有60dB，根本没法用。
仪表放大器就不一样了。内部集成了三个运放，电阻激光微调，CMRR轻松做到80dB以上。你只需要一个外部电阻设定增益，省心又可靠。
4.2 AD620 vs INA128：怎么选？
这两款是心电设计中最常用的。我列个对比表，你一看就明白：
| 参数 | AD620 | INA128 |
|---|---|---|
| 供电范围 | ±2.3V ~ ±18V | ±2.25V ~ ±18V |
| 静态电流 | 1.3mA（典型） | 700μA（典型） |
| 输入噪声（1kHz） | 9nV/√Hz | 8nV/√Hz |
| CMRR（G=100） | 100dB（最小） | 120dB（典型） |
| 增益公式 | G = 49.4kΩ/Rg + 1 | G = 50kΩ/Rg |
| 价格（参考） | 较低 | 稍高 |
我的建议：
- 成本敏感、性能够用：选AD620。我做过一款便携心电，就用它，效果不错。
- 追求极致CMRR、低功耗：选INA128。医用级设备我常用它。
4.3 增益计算：到底设多少？
心电信号幅度约0.5mV~4mV。ADC的输入范围通常是0~3.3V或0~5V。你得算好总增益。
举个例子：
- ADC参考电压3.3V，单端输入
- 心电信号最大4mV（峰峰值）
- 总增益 = 3.3V / 4mV = 825倍
但实际不会这么算。因为心电信号还有直流偏置（电极极化电压可达±300mV）。你想想看，如果直接放大825倍，输出早饱和了。
所以，我通常分两级：
- 第一级（仪表放大器）：增益设10~100倍。我习惯设10倍，留有余量。
- 第二级（后级运放）：再放大10~100倍，同时加入高通滤波，滤掉直流偏置。
比如用AD620，增益设10倍，Rg计算：
G = 49.4kΩ / Rg + 1
10 = 49.4kΩ / Rg + 1
Rg = 49.4kΩ / 9 ≈ 5.49kΩ选标称值5.49kΩ（1%精度）或5.6kΩ（5%精度）。
4.4 共模抑制比优化：实战经验
CMRR是仪表放大器的灵魂。但芯片数据手册上的CMRR是在理想条件下测的，实际PCB上能保留多少，就看你的功夫了。
第一，阻抗平衡
仪表放大器的两个输入端，对地阻抗必须严格对称。我遇到过一个问题：心电导联线一长一短，结果CMRR掉了20dB。后来在输入端各加一个10kΩ电阻，才稳住。
第二，参考端（Ref）处理
AD620和INA128都有Ref引脚，用于设置输出参考电平。如果不用，直接接地。但要注意：Ref引脚的阻抗很低，走线要短，远离噪声源。
我曾经犯过一个低级错误——把Ref引脚悬空，结果输出漂得离谱。嗯，后来老老实实接地了。
第三，右腿驱动（RLD）
这是心电设计的经典技巧。从仪表放大器输出取共模信号，反相放大后反馈到人体右腿，能大幅抑制共模干扰。
电路很简单：
用一个运放（如LM358），同相端接参考地
反相端通过电阻接仪表放大器输出（或两个输入的平均值）
输出接右腿电极我实测过，加上RLD后，50Hz工频干扰从200mVpp降到5mVpp以下。效果立竿见影。
4.5 布局布线要点
仪表放大器对PCB布局很敏感。我总结几条铁律：
- 反馈电阻Rg要靠近芯片：走线越短越好，避免引入寄生电容。
- 电源去耦：每个电源引脚放一个0.1μF陶瓷电容，紧贴引脚。我习惯再加一个10μF钽电容。
- 输入走线：差分对要等长、平行走线，远离数字信号和电源。
- 地平面：仪表放大器下方不要铺地铜，否则会增大寄生电容，降低CMRR。
4.6 小结
仪表放大器选型，说白了就是平衡性能、成本和功耗。AD620和INA128都是久经考验的经典芯片，用好了，心电前端就稳了一半。
下一节，咱们聊聊后级滤波和驱动电路。到时候我会分享一个我调试了三天才搞定的滤波器设计案例——嗯，那故事可有意思了。