4、仪表放大器选型：INA系列(INA118/INA333/AD620)选型要点、增益设置、共模抑制比优化

心电信号有多微弱？说白了，体表测到的心电信号也就0.5mV到4mV左右。这么小的信号，还泡在几十毫伏甚至几百毫伏的共模干扰里——工频噪声、肌电干扰、电极极化电压……

所以，第一级放大器的选择，直接决定了整个系统的成败。我个人习惯把仪表放大器称为「心电前端的守门员」。选对了，后面滤波轻松；选错了，后面怎么折腾都救不回来。

4.1 为什么必须是仪表放大器？

普通运放行不行？理论上可以搭，但实际很难。心电采集需要三个关键特性：

• 高共模抑制比（CMRR）：抑制工频和电极偏置的共模干扰
• 高输入阻抗：不拉偏电极接触阻抗，保证信号完整性
• 低噪声：μV级别的信号，噪声稍大就淹没了

仪表放大器（INA）就是为这种场景量身定做的。它内部集成了三个运放，输入级提供超高阻抗，输出级提供精确差分增益。你想想看，如果自己用三个运放搭，光是电阻匹配精度就够头疼的——0.1%的失配就能让CMRR掉到60dB以下。

4.2 三款经典芯片横向对比

INA118、INA333、AD620，这三款是我在项目中用得最多的。它们各有脾气，选型时得对症下药。

参数	INA118	INA333	AD620
供电电压	±1.35V ~ ±18V	1.8V ~ 5.5V	±2.3V ~ ±18V
静态电流	350μA	50μA	900μA
输入噪声（1kHz）	10nV/√Hz	50nV/√Hz	9nV/√Hz
CMRR（G=100）	110dB	100dB	110dB
输入偏置电流	5nA	200pA	2nA
增益范围	1 ~ 10000	1 ~ 1000	1 ~ 10000
价格（参考）	中等	较低	中等

嗯，这里要注意：INA333是零漂移架构，偏置电流极低，非常适合电极阻抗高的场景。但它的噪声比INA118和AD620大，所以用在心电上要权衡。

4.3 增益设置：一个电阻搞定

这三款芯片的增益设置方式完全一样——外接一个电阻R_G。公式是：

G = 1 + (50kΩ / RG)   // INA118和AD620
G = 1 + (100kΩ / RG)  // INA333

举个例子，心电信号放大100倍：

// INA118或AD620
RG = 50kΩ / (100 - 1) ≈ 505Ω
// 选标准值：511Ω（E96系列）

// INA333
RG = 100kΩ / (100 - 1) ≈ 1010Ω
// 选标准值：1kΩ

4.4 共模抑制比优化：实战技巧

CMRR是仪表放大器的灵魂。数据手册上写的CMRR都是理想情况——电阻完美匹配、电源纹波为零、频率是直流。实际用起来，有几个坑必须避开。

4.4.1 电阻精度是第一道坎

仪表放大器的CMRR高度依赖内部电阻匹配。但外部电路——比如输入保护电阻、滤波电阻——如果不对称，就会把CMRR拉下来。

我曾经在一个项目中，用了1%精度的输入电阻，结果CMRR从110dB掉到了85dB。后来换成0.1%的电阻，才恢复到105dB。

4.4.2 电源纹波会直接耦合到输出

仪表放大器的电源抑制比（PSRR）在高频段会下降。如果电源上有100mV的纹波，在G=100时，输出端可能看到几毫伏的干扰——这对心电信号来说是致命的。

我的做法是：在仪表放大器的电源引脚上加RC滤波，时间常数至少1ms。比如10Ω串联+100μF电容到地，能有效抑制高频纹波。

4.4.3 右腿驱动：提升CMRR的杀手锏

单靠仪表放大器本身的CMRR，对付心电信号还不够。工频干扰的共模电压可能高达几伏，而心电信号只有几毫伏。这时候需要引入右腿驱动电路。

右腿驱动的原理很简单：把共模电压反相放大后，反馈到人体右腿，形成一个负反馈环路，主动抵消共模干扰。

// 典型右腿驱动电路
// 从仪表放大器的REF引脚或共模输出取信号
// 经过反相放大器（增益约10~50倍）
// 通过一个100kΩ~1MΩ电阻连接到右腿电极

4.5 选型决策树

说了这么多，到底怎么选？我总结了一个简单的决策思路：

1. 电池供电、低功耗优先：选INA333，50μA静态电流，1.8V就能工作
2. 噪声敏感、性能优先：选INA118或AD620，10nV/√Hz级别的噪声
3. 电极阻抗高、偏置电流敏感：选INA333，200pA偏置电流
4. 需要高增益（>1000）：选INA118或AD620，增益范围更宽

我个人最常用的是INA118。噪声低、CMRR高、供电范围宽，而且价格适中。AD620是经典款，性能相当，但功耗稍大。INA333适合可穿戴设备，但噪声偏大，用在医疗级心电上有点勉强。

4.6 一个完整的参考电路

最后，分享一个我常用的心电前端电路框架：

电极L(+) ——[保护电阻100kΩ]——+IN ——+
                                      |
电极R(-) ——[保护电阻100kΩ]——-IN ——+—— INA118 (G=100)
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右腿驱动：共模信号 → 反相放大(×20) → 右腿电极
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                                  REF引脚接VREF/2

这个电路我用了好几年，在多个项目中验证过。噪声底、共模抑制好、稳定可靠。你照着搭，基本不会出大问题。