心电图EMI滤波器的分析与设计准则

引言

本文对传统共模(CM)至差模(DM)无源滤波器中因失衡问题所导致的性能限制进行了分析与探讨。

图1展示了MAX30001心电图(ECG)模拟前端(AFE)的典型电路原理图。图1所示的两个外部电磁干扰(EMI)滤波器（其中一个以蓝色着重标注）是传统的共模转差模滤波器电路。

图1.双电极心电图和呼吸监测。

上述外部EMI滤波器（采用传统的共模转差模滤波电路实现）同时兼具共模和差模带宽限制功能。此外，设计人员只需审慎选择一个元件参数值（差模电容），就能缓解因共模信号路径失衡而导致的信噪比(SNR)下降问题。对于仅由五个无源元件组成的电路而言，实属不易！

在深入探讨这种电路之前，我们先简要讨论一下可能遭遇的外部电磁干扰源有哪些。电磁干扰(EMI)是一种与外部电磁感应源（如磁耦合）、静电耦合（如电容耦合）或传导相关的电路干扰现象。从根本上讲，电磁干扰可以通过辐射和/或传导的方式耦合到电路中。图2展示了包含几种常见电磁干扰源示例的频谱图。

图2.嘈杂的EMI环境。

传统的共模转差模无源滤波器

图3展示了通常用于减轻环境噪声的传统共模转差模无源滤波器。在心电图应用中，带宽通常限制为256 Hz(512 SPS)或更低，交流电源线产生的信号（如50 Hz/60 Hz）往往成为最具破坏性的电磁干扰源头。这些信号可能以共模信号的形态出现，而我们的目标是防止它们对差模信号造成干扰。如果共模转差模无源滤波器存在失衡问题，不需要的信号（也称为噪声）就可能会损坏目标差模信号。

图3.传统的共模转差模滤波器电路。

共模滤波器和共模转差模

共模转差模无源(EMI)滤波器可以看作是一个由共模RC滤波器和差模RC滤波器组成的复合滤波器。图4展示了这两种滤波器配置作为独立电路的情况。需要注意的是，这些滤波器结构（包括共模转差模无源滤波器）常常在诸如Δ-Σ调制器之类的采样模数电路中用作抗混叠滤波器(AAF)。因此，此处的分析同样适用于AAF和其他差模信号电路。

图4.共模RC滤波器和差模RC滤波器。

共模滤波器尤其值得关注，因为当它的电路出现不平衡时（即两条输入信号路径的时间常数不相等时），它可能会成为噪声的传播媒介。考虑到元件容差、温度系数、电压系数等因素，这种不平衡是一种常见的情况。在存在电噪声的环境中，共模滤波器的共模抑制能力决定了有多少噪声可能会注入到差模通道中。这种注入的噪声会降低目标信号（差模通道信号）的信噪比(SNR)。这称为共模至差模转换（共模转差模）。通过预估电气环境，设计人员可以采用适量的元件匹配措施来减少共模至差模的转换。

实用带宽近似计算

在分析共模转差模传递函数之前，我们不妨先计算平衡共模转差模滤波器的共模和差模电路带宽。这些计算不仅能为设计人员在ECG/BioZ应用中进行电路调谐，提供一系列实用的公式依据，还能辅助理解共模至差模转换表达式的深层含义。

图5展示了平衡共模配置和平衡差模配置的等效电路。在图5a中，平衡共模电路在输出端产生相同的信号电平(VOUT = 0 V)。因此，差模电容CDM不会影响电路带宽，所以在等效电路模型中可以将其去除。共模带宽由R × CCM的时间常数决定。

在图5b中，应用了电路镜像技术，用两个数值为2 × CDM（CDM等效阻抗）的串联电容代替差模电容。对于平衡电路而言，在2 × CDM电容之间存在一个虚地点，这就产生了两条完全相同的支路，其中任意一条支路都能决定电路的带宽。差模带宽由R(CCM + 2 × CDM)的时间常数来设定。