4. 模拟前端采集电路设计

可穿戴生命体征采集系统的模拟前端（AFE）位于传感器与 ADC 之间，决定了整条信号链的信噪比上限。传感器输出的信号通常只有几十微伏到几毫伏，同时叠加电极失调、工频干扰、运动伪迹和基线漂移。AFE 的任务可以概括为四件事：把高阻或差分信号可靠地“接进来”，用合适的增益把目标频带抬到 ADC 的有效量程，用滤波把带外干扰压下去，并让整个链路的噪声低于信号本身可分辨的最小变化。

一、两类核心放大器的分工

生物电信号（ECG、EMG、EEG）来自体表电极，源阻抗高且存在共模电压，适合用仪表放大器（INA）做第一级。INA 由三个运放构成经典三运放结构，输入级提供高输入阻抗和共模抑制，输出级做差分转单端。它的关键指标是 CMRR（共模抑制比）、输入偏置电流和输入电压噪声密度。以 AD8232 这类集成 AFE 为例，其内部即包含仪表放大级与右腿驱动，适合单导联心电。

光电容积脉搏波（PPG）则不同：光电二极管输出的是电流，需要跨阻放大器（TIA）把电流转换为电压。TIA 的增益由反馈电阻 R_f 决定，V_out = −I_ph × R_f。反馈电容 C_f 与 R_f 构成极点，用于补偿光电二极管结电容带来的相位滞后，保证稳定性。R_f 越大增益越高，但带宽下降、噪声增益上升，需要折中。

二、增益配置：把信号抬到 ADC 量程

增益配置的核心是“让目标信号占满 ADC 量程，同时不饱和”。假设 ADC 为 12 位、参考电压 3.0 V，则 1 LSB ≈ 0.73 mV。若心电信号幅度约 1 mV，希望放大到 1.5 V 左右，总增益约 1500 倍。通常分两级实现：INA 第一级增益 10~100，第二级用同相放大器补足剩余增益，这样既避免第一级饱和，又降低后级噪声贡献。

增益分配遵循 Friis 公式的噪声原则：第一级增益越高，后级噪声被“稀释”得越厉害。但第一级增益受限于电极失调电压——失调可达 ±300 mV，若第一级增益 100，输出失调就是 30 V，必然饱和。因此实际做法是：第一级增益取 10~20，先通过高通隔直电容去掉失调，第二级再放大 50~100 倍。高通截止频率由 f_c = 1/(2πRC) 决定，心电常用 0.05~0.5 Hz，PPG 常用 0.5~1 Hz。

三、滤波：分频段处理

滤波不是“加一个低通”那么简单，而是按频段分工。以心电为例：

• 高通 0.05 Hz：去除电极极化产生的基线漂移，但截止频率不能太高，否则 ST 段会失真。
• 低通 150 Hz：保留 QRS 主要能量（10~50 Hz），抑制肌电和开关噪声。诊断级心电常取 150 Hz，监护级取 40 Hz。
• 50/60 Hz 陷波：用双 T 网络或有源陷波，Q 值取 3~10。Q 太高会振铃，Q 太低会削弱 50 Hz 附近的信号。

PPG 的频带更窄：脉搏波基频 0.5~5 Hz，低通取 5~10 Hz 即可，高通取 0.5 Hz 去直流。由于 PPG 的直流分量远大于交流分量（直流是交流的 10~100 倍），TIA 后必须先做高通或采用“直流偏置消除”结构，否则后级增益无法提高。

四、噪声抑制的工程方法

噪声抑制要从“源头—路径—接收端”三层考虑。源头是运放和电阻的热噪声，路径是电源和地，接收端是 ADC 的量化噪声。

第一，选低噪声运放。输入电压噪声密度 e_n 应小于 10 nV/√Hz，电流噪声 i_n 要与源阻抗匹配。对于高源阻抗的电极，电流噪声贡献 i_n × R_s 可能超过电压噪声，此时应选 CMOS 输入运放（i_n 小）。

第二，右腿驱动（RLD）。将两个输入电极的共模电压取平均、反相、放大后通过第三电极回注人体，使共模电压被主动拉低。RLD 增益越高，等效 CMRR 越好，但增益过高会引起环路振荡，通常取 10~100，并在反馈路径加低通限制带宽。

第三，电源与接地。模拟电源用 LDO 单独供电，去耦电容 100 nF + 10 μF 就近放置。模拟地和数字地单点连接，避免数字回流经过模拟地。对于可穿戴设备，还要考虑电池内阻和 DC-DC 开关噪声，必要时在 DC-DC 后加 LC 滤波。

第四，过采样与平均。若 ADC 采样率远高于信号带宽，可以对 N 个样本平均，噪声降低 √N 倍。例如采样率 1 kHz、信号带宽 150 Hz，取 4 点平均，噪声降低 2 倍，等效分辨率提升 1 bit。

五、设计检查要点

实际调试时，建议先用信号发生器注入已知幅度的正弦波，逐级测量增益和频响，再用示波器观察输出是否饱和或振铃。噪声评估可在输入端短接（或接等效源阻抗）时测量输出 RMS，折算到输入端与信号幅度比较。只有输入折算噪声远小于最小可分辨信号时，AFE 才算设计合格。