《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 其他 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 利用 SPICE 分析理解心電圖前端中的右腿驅(qū)動(dòng)
利用 SPICE 分析理解心電圖前端中的右腿驅(qū)動(dòng)
Matthew Hann,TI精密模擬和傳感應(yīng)用經(jīng)理
摘要: 心電圖(ECG)學(xué)是一門將心臟離子去極(ionicdepolarization)后轉(zhuǎn)換為分析用可測(cè)量電信號(hào)的科學(xué),。模擬電子接口到電極/患者設(shè)計(jì)中最為常見的難題之一便是優(yōu)化右腿驅(qū)動(dòng)(RLD),其目的是實(shí)現(xiàn)較高的共模性能和穩(wěn)定性,。
關(guān)鍵詞: 心電儀 心電圖 ECG 電信號(hào)
Abstract:
Key words :

心電圖 (ECG) 學(xué)是一門將心臟離子去極(ionic depolarization) 后轉(zhuǎn)換為分析用可測(cè)量電信號(hào)的科學(xué),。模擬電子接口到電極/患者設(shè)計(jì)中最為常見的難題之一便是優(yōu)化右腿驅(qū)動(dòng) (RLD) ,其目的是實(shí)現(xiàn)較高的共模性能和穩(wěn)定性,。利用 SPICE 分析,,可大大簡化這一設(shè)計(jì)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(jīng)過反相處理的共模噪聲信號(hào) (enoise_cm),,以降低測(cè)量放大器增益級(jí)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(hào)提供共模參考點(diǎn),,而這一部分 ECG 信號(hào)可在測(cè)量放大器 (INA) 的正負(fù)輸入端看到,。左臂、右臂和右腿的并聯(lián) 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(shè) enoise 以寄生方式耦合至輸入,則 enoise_cm 的反饋會(huì)降低每個(gè)輸入端的總噪聲信號(hào),,并使用外部方法過濾剩余噪聲,,或者利用測(cè)量放大器的共模抑制比 (CMRR) 來對(duì)其進(jìn)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(cè)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(shí)達(dá)到最佳低頻 CMRR;但是,,在現(xiàn)實(shí)世界中,,對(duì)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(yùn)行的應(yīng)用來說,去除 DC 通路和/或?qū)?RF 設(shè)置為某個(gè)高值或許并不實(shí)際,。
 ,、

 

2 CMRRRLD增益的關(guān)系

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

 

 

5小信號(hào)脈沖測(cè)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(cè)試電路,,并在環(huán)路中注入一個(gè)小信號(hào)階躍,,然后監(jiān)視輸出響應(yīng)情況。這時(shí),,響應(yīng)(圖 6 所示)顯示出強(qiáng)輸出振蕩,,表明環(huán)路中出現(xiàn)不穩(wěn)定性。引起這種不穩(wěn)定的主要反饋通路是 RLD 放大器周圍的身體/電極/測(cè)量放大器反饋通路,。圖 7 所示測(cè)試電路,,允許在一個(gè)波特圖上單獨(dú)分析 RLD 放大器的反饋和開環(huán)增益 (AOL) 曲線圖。

圖7電極/測(cè)量放大器反饋測(cè)試電路
圖9所示 1/β(反饋)曲線圖代表了圖 7 模擬結(jié)果,。請(qǐng)注意,,在沒有外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí),1/β 曲線接近 AOL 曲線,,且接近速率 (ROC) >20dB/dec,,其表明存在不穩(wěn)定性(證明過程,在此不作討論)。要解決這個(gè)問題,,需在 RLD 放大器的局部反饋中添加一個(gè)串聯(lián) 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(huán)路增益相補(bǔ)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(jīng)過補(bǔ)償之后的 1/β 圖(基于 Rc 和 Cc 差異)。
圖8補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)測(cè)試電路

 

9AOL,、1/βZc

10補(bǔ)償后的右腿驅(qū)動(dòng)

圖11不同Cc 值的AOL 和1/β

1210 的環(huán)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(yōu)化 RLD 前端電路的性能和穩(wěn)定性,。請(qǐng)記住,,模型的好壞決定了模擬的質(zhì)量,因此對(duì)一些重要規(guī)格建模就十分重要,,例如:噪聲,、AOL、開環(huán) Zout 以及 CMRR 與頻率關(guān)系等,。另外,,這項(xiàng)工作應(yīng)在開始分析和設(shè)計(jì)以前就完成。
 

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。