3、前置放大电路设计：仪表放大器（INA）选型与配置

好，咱们进入正题。前置放大电路是整个心电信号链的「第一道门」。你想想看，心电信号从电极上拾取下来，也就零点几毫伏到几毫伏，还带着一大堆共模干扰——工频50Hz、肌电噪声、电极极化电压……

这时候，普通运放根本搞不定。你需要的是仪表放大器（INA）。

我刚开始做心电项目时，图省事用了个通用运放搭差分放大，结果共模抑制比惨不忍睹，信号完全被工频淹没了。后来老老实实换上了INA，世界瞬间清净了。

3.1 为什么非用仪表放大器不可？

说白了，心电信号有三个特点：

• 信号极其微弱：典型R波幅度0.5~4mV，P波和T波更小
• 共模干扰巨大：人体相当于一个天线，50Hz工频干扰可达几伏甚至十几伏
• 电极极化电压：皮肤与电极接触会产生±300mV的直流偏置

仪表放大器天生就是干这个的。它有三个关键指标：

指标	要求	为什么
共模抑制比（CMRR）	≥80dB（最好100dB以上）	抑制工频共模干扰
输入阻抗	≥10GΩ	不拉偏电极信号
输入偏置电流	≤1nA	减小电极极化影响

嗯，这里要注意：CMRR不是一成不变的。它随频率升高而下降。所以选型时，要看50Hz/60Hz处的CMRR，而不是直流CMRR。

3.2 AD620 vs AD8232：怎么选？

这两款芯片，是我最常用的。它们各有千秋。

AD620——经典老将

AD620是ADI公司的经典仪表放大器。我最早接触它是在2015年，一个便携式心电监护仪项目上。它的特点是：

• 单电阻设定增益，增益范围1~1000
• CMRR典型值100dB（G=10时）
• 输入偏置电流最大2nA
• 静态电流仅1.3mA

它的增益公式很简单：

G = 49.4kΩ / RG + 1

其中RG是外接增益电阻。反过来，已知目标增益，求RG：

RG = 49.4kΩ / (G - 1)

举个例子。心电信号前置放大，我一般取增益100倍。那么：

RG = 49.4kΩ / (100 - 1) = 49.4kΩ / 99 ≈ 499Ω

实际电路中，我选了一个499Ω的精密电阻（1%精度）。

AD8232——集成度更高的选择

AD8232是专门为心电信号设计的模拟前端。它把仪表放大器、右腿驱动、高通滤波、低通滤波、导联脱落检测全集成在一个芯片里。

我记得有一次做动态心电记录仪，板子空间只有拇指大小。用AD620还得外接滤波电路，太占地方。换成AD8232，一颗芯片搞定所有前端处理。

AD8232的增益配置稍微复杂一点。它内部有两级放大：

• 第一级：仪表放大器，增益固定为100
• 第二级：运放，增益由外部电阻设定

总增益公式：

G_total = 100 × (1 + R2/R1)

其中R1和R2是第二级运放的反馈电阻。我一般把总增益设在100~200之间。比如：

目标增益：150
第二级增益 = 150 / 100 = 1.5
取R1 = 100kΩ，则R2 = 50kΩ（实际用49.9kΩ）

3.3 实际电路配置要点

不管用AD620还是AD8232，有几个坑你必须避开：

1. 参考端（REF）必须接对：AD620的REF引脚通常接VCC/2，也就是单电源供电时的虚拟地。AD8232内部有参考电压，但外部也要处理好。
2. 输入保护不能省：人体静电放电（ESD）可能高达几千伏。我习惯在输入端串联10kΩ电阻，再并联两个背靠背的二极管到电源轨。
3. 电源去耦要到位：每个电源引脚放一个0.1μF陶瓷电容，紧贴芯片放置。别问我为什么——有一次我偷懒没放，结果50Hz工频干扰直接串进信号。
4. 走线要对称：差分输入的两条走线，长度、宽度、间距保持一致。不对称的走线会降低CMRR。

3.4 增益到底选多少？

这是个好问题。我见过很多新手一上来就设1000倍增益，结果信号饱和得一塌糊涂。

我的经验是：

• 前置放大增益：50~200倍
• 太低了，后续ADC分辨率不够
• 太高了，电极极化电压和噪声一起被放大
• 后续再通过二级放大调整

举个例子。心电信号最大幅度约4mV，电极极化电压±300mV。如果前置放大100倍，输出端：

• 心电信号：0.4V
• 极化电压：±30V（显然会饱和！）

所以实际电路中，前置放大后必须加高通滤波，把直流极化电压滤掉，再进二级放大。这个我们下一章会详细讲。

嗯，这一章就到这里。下一章我们聊聊高通滤波——怎么把讨厌的电极极化电压和基线漂移干掉。到时候我会分享一个我踩过的坑，关于截止频率选0.5Hz还是0.05Hz的问题。