《電子技術應用》
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利用 SPICE 分析理解心電圖前端中的右腿驅動
Matthew Hann,TI精密模擬和傳感應用經理
摘要: 心電圖(ECG)學是一門將心臟離子去極(ionicdepolarization)后轉換為分析用可測量電信號的科學。模擬電子接口到電極/患者設計中最為常見的難題之一便是優化右腿驅動(RLD),其目的是實現較高的共模性能和穩定性。
Abstract:
Key words :

心電圖 (ECG) 學是一門將心臟離子去極(ionic depolarization) 后轉換為分析用可測量電信號的科學。模擬電子接口到電極/患者設計中最為常見的難題之一便是優化右腿驅動 (RLD) ,其目的是實現較高的共模性能和穩定性。利用 SPICE 分析,可大大簡化這一設計過程。

在 ECG 前端中,RLD 放大器具有 Vref 的共模電極偏置,并反饋經過反相處理的共模噪聲信號 (enoise_cm),以降低測量放大器增益級輸入端總噪聲。圖 1 中,源 ECGp 和 ECGn 被分離開,目的是表明 RLD 放大器如何為一部分 ECG信 號提供共模參考點,而這一部分 ECG 信號可在測量放大器 (INA) 的正負輸入端看到。左臂、右臂和右腿的并聯 RC 組合,代表了集總無源電極連接阻抗(本文后面部分以 52kΩ 和 47nf 表示)。假設 enoise 以寄生方式耦合至輸入,則 enoise_cm 的反饋會降低每個輸入端的總噪聲信號,并使用外部方法過濾剩余噪聲,或者利用測量放大器的共模抑制比 (CMRR) 來對其進行抑制。

 LEAD I RLD 簡易連接

在圖 2、3 和 4 中,我們可以看到共模抑制變化情況,表明共模測試電路具有不同的RLD 放大器增益。這些圖表明,無反饋電阻器(即增益無限)時達到最佳低頻 CMRR;但是,在現實世界中,對于那些要求在某條輸入放大器引線被拔掉后 RLD 放大器仍能線性運行的應用來說,去除 DC 通路和/或將 RF 設置為某個高值或許并不實際。
 、

 

2 CMRRRLD增益的關系

圖3CMRR 圖與頻率和RLD 增益(RF) 的關系
 
 
圖4  MCRR  RLD 與無RLD 的關系

 

 

5小信號脈沖測試電路

6    5輸出的曲線圖

一旦確定 RLD 放大器的增益,便可使用圖 5 所示測試電路,并在環路中注入一個小信號階躍,然后監視輸出響應情況。這時,響應(圖 6 所示)顯示出強輸出振蕩,表明環路中出現不穩定性。引起這種不穩定的主要反饋通路是 RLD 放大器周圍的身體/電極/測量放大器反饋通路。圖 7 所示測試電路,允許在一個波特圖上單獨分析 RLD 放大器的反饋和開環增益 (AOL) 曲線圖。

圖7電極/測量放大器反饋測試電路
圖9所示 1/β(反饋)曲線圖代表了圖 7 模擬結果。請注意,在沒有外部補償網絡時,1/β 曲線接近 AOL 曲線,且接近速率 (ROC) >20dB/dec,其表明存在不穩定性(證明過程,在此不作討論)。要解決這個問題,需在 RLD 放大器的局部反饋中添加一個串聯 Rc 和 Cc(圖 9 所示 Zc),這樣總 1/β 便與 AOL 曲線交叉,其接近速率 (ROC) ≤ 20dB/dec,且環路增益相補角> 45°(圖 12)。之后,Zc 成為 20k-30kHz 之間的主要反饋通路。圖 11 顯示了這種新的、經過補償之后的 1/β 圖(基于 Rc 和 Cc 差異)。
圖8補償網絡測試電路

 

9AOL、1/βZc

10補償后的右腿驅動

圖11不同Cc 值的AOL 和1/β

1210 的環路增益和相位

總之,SPICE 是一種有效的工具,可幫助快速分析和優化 RLD 前端電路的性能和穩定性。請記住,模型的好壞決定了模擬的質量,因此對一些重要規格建模就十分重要,例如:噪聲、AOL、開環 Zout 以及 CMRR 與頻率關系等。另外,這項工作應在開始分析和設計以前就完成。
 

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