多年以來，心電圖(ECG)設備的普及程度已顯著增加，技術進步使此類設備的檢測結果日益實用。然而，在設計ECG時必須考慮幾點，其中一項是處理此類系統的小訊號所要使用的放大器。
ECG主要的功能是監測心電活動。當心臟進行收縮時，生物電流開始遍布人體，此時放置於皮膚上的電極可檢測到這些微弱的電壓，ECG裝置就會顯示產生變化的電壓，從而監測心臟活動。
基本的ECG提供心臟運動的波形圖，可顯示在螢幕上或直接列印到紙上。此外，高階的ECG設備將提供其他功能，如儲存波形、無線數據傳輸和各種級別的後訊號處理。圖1為ECG的高階方塊圖，訊號處理電路中使用的放大器於圖1中以三角形突出顯示。
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| 圖1 ECG系統的方塊圖 |
訊號處理的挑戰
根據系統和所需的分析類型，最常見的配置是將三個、五個甚至十個電極連接到人體的不同部位。在皮膚上檢測到的電壓範圍為100微伏特(μV)到3毫伏特(mV)。不過，每個電極的直流電壓可能接近於300毫伏特。因此，前端檢測電路必需能夠有較高的共模電壓拒斥比來檢測極小的電壓變化。
另一個挑戰是要應付各種噪音源，例如來自日光燈或監視器的50Hz或60Hz干擾、患者的移動以及來自設備其他部分的電磁干擾。
由於有用訊號的振幅值極小，因此使用放大器從共模電壓和雜訊中提取心電訊號，並提供訊號增益。此類應用中一些重要的放大器參數包括共模抑制、輸入偏移電壓和偏移電壓漂移、輸出擺幅以及放大器雜訊，說明如下：
共模抑制
如前文所述，放置在患者皮膚上的電極可能有大約數百毫伏特的直流電壓，而有用訊號的電壓通常小於一毫伏特。儀表放大器配置非常適合這種情況，該放大器將消除任何與差分輸入共模的訊號(來自電極或任何共模雜訊，如60Hz干擾)，同時放大有用的心電訊號。
在這種情況下，考慮放大器電路的共模抑制參數是非常重要的，不僅針對直流訊號，還要考慮跨頻率，尤其是線路頻率為50Hz或60Hz時。具有高共模抑制比的放大器將消除更多不需要的雜訊並實現更高精度的測量。
輸入偏移電壓和偏移電壓漂移
由於有用電壓相當小，放大器需要提供增益，提高檢測電路的解析度。此應用需要高增益，因此放大器的偏移電壓非常重要。
放大器產生的任何偏移電壓都將乘以電路增益，例如，假定心臟收縮在皮膚上的一個指定電極上產生1毫伏特電壓，假定放大器電路的增益設置為1000，則放大器電路的理想輸出為1伏特；但如果放大器的輸入偏移電壓為100微伏特時，則將在輸出產生100毫伏特的誤差(占有用訊號的10%)。值得注意的是，放大器的輸入失調誤差以輸入為參考，因此，誤差將與放大器的增益成比例。
與所有電子元件一樣，放大器的特性會隨時間和溫度發生變化，其電壓偏移也是如此。放大器電壓偏移是誤差的來源，隨著偏移電壓的漂移，此誤差可能變得更大。然而，透過選擇低漂移放大器(如採用自動歸零校準拓撲的放大器)或者定期執行系統校準，藉此校正失調和漂移的運算放大器，可大幅度地減小此類的誤差源。
在前面的示例中，電極上1毫伏特電壓變化會在放大器電路的輸出上產生1伏特的電壓變化。對於5伏特單電源系統，這代表放大器電路可精確檢測0～5毫伏特的電壓，放大器就可輸出擺動到最低級、最高的電源軌。相反地，如果放大器不支援軌對軌的輸出擺動，則電壓的動態範圍會變小，就無法正確檢測出完整的輸入訊號，因而限制檢測電路的動態範圍，無法做出精確的偵測。
當評估此類應用的放大器時，另一個必須考慮的重要參數是放大器雜訊。值得注意的是，放大器的雜訊可能不會隨頻率保持恆定，尤其是在1/f雜訊可成為主要噪音源的低頻率下；在ECG應用中，有用的訊號頻寬通常為直流到100Hz，因此1/f雜訊仍是誤差源之一。
ECG設備最初僅用於顯示心電活動。隨著電子和機械設計的進步，如今ECG已能夠自助進行各種訊號分析，並提供即時顯示，甚至使可攜式設備能記錄長時間的心電活動。然而，這些高階功能依賴於心電訊號的精確捕捉和調理，使得放大器的選擇和設計成為ECG系統成功的關鍵因素。
(本文作者為微芯類比和介面產品部產品行銷主任工程師)