1. 生物电信号概述
1.1 生物电信号的产生机理
生物电信号源于细胞膜内外的离子浓度差（主要是Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Cl⁻）以及膜对特定离子的选择性通透能力。当细胞受到刺激时，膜电位发生快速去极化和复极化，形成动作电位。大量功能相关的细胞同步放电，便可在体表或组织表面检测到宏观电信号。
- 心电（ECG/EKG）：由心肌细胞有序的除极与复极过程产生。窦房结发出起搏信号，依次激动心房、房室结、心室，形成P波、QRS波群和T波。体表电极记录的是心脏电活动在体表的综合电位变化。
- 脑电（EEG）：主要来源于大脑皮层锥体细胞顶树突的突触后电位（兴奋性与抑制性突触后电位的总和）。大量神经元同步放电产生节律性活动，如α波、β波、θ波、δ波等。脑电信号是皮层神经元群体电活动的宏观表现。
- 肌电（EMG）：由运动单位（一个运动神经元及其支配的肌纤维）的动作电位序列叠加而成。当肌肉收缩时，运动单位被激活，产生运动单位动作电位（MUAP）。表面肌电记录的是多个运动单位活动在皮肤表面的时空叠加。
1.2 信号特征（幅值与频率范围）
不同生物电信号的幅值和频率范围差异显著，这直接决定了前端放大器的增益、带宽和滤波器设计指标。
| 信号类型 | 典型幅值范围 | 主要频率范围 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 心电（ECG） | 0.5 mV – 5 mV（肢体导联） 可达10 mV（胸导联） |
0.05 Hz – 100 Hz （诊断带宽通常0.05–150 Hz） |
QRS波群能量集中在10 Hz附近 |
| 脑电（EEG） | 1 µV – 100 µV（头皮记录） | 0.5 Hz – 50 Hz （高频成分可达100 Hz以上） |
δ波(0.5–4 Hz)、θ波(4–8 Hz)、α波(8–13 Hz)、β波(13–30 Hz) |
| 肌电（EMG） | 10 µV – 5 mV（表面电极） 可达10 mV（针电极） |
10 Hz – 500 Hz （主要能量在50–150 Hz） |
高频成分丰富，需较高采样率 |
1.3 采集面临的挑战
生物电信号采集的核心难点在于：信号极其微弱（微伏至毫伏级），且处于强噪声与干扰环境中。主要挑战包括：
噪声问题：
- 热噪声（约翰逊噪声）：来自电极-皮肤界面阻抗和前端电阻，功率谱密度为 \(4kTR\)，在低频段尤为显著。
- 1/f 噪声（闪烁噪声）：存在于放大器有源器件和电极-电解质界面，频率越低噪声越大，对EEG等低频信号影响严重。
- 运动伪迹：电极与皮肤相对位移导致界面电位变化，幅值可达毫伏级，频率成分与信号重叠，难以滤除。
共模干扰：
- 工频干扰（50 Hz / 60 Hz）：来自电力线，通过人体与地之间的寄生电容耦合到人体，形成共模电压（通常为几伏至十几伏）。该共模电压远大于生物电信号（微伏至毫伏级），若放大器共模抑制比（CMRR）不足，共模信号将转化为差模干扰。
- 射频干扰（RFI）：来自广播、手机、无线设备等，经电极线缆耦合进入放大器，可能被非线性器件解调为低频干扰。
其他挑战：
- 电极-皮肤界面极化电位：直流偏置可达数百毫伏，可能使放大器饱和。
- 基线漂移：由呼吸、电极移动、温度变化引起，频率通常低于0.5 Hz。
- 信号动态范围宽：例如ECG中R波幅值可达数毫伏，而P波仅数十微伏，要求放大器具有高动态范围和低噪声。
针对上述挑战，生物电信号采集放大器需具备：高输入阻抗、高共模抑制比（通常要求>100 dB）、低噪声（输入参考噪声<1 µVrms）、可调增益（通常500–5000倍）、以及多级滤波（高通、低通、陷波）能力。