利用SPICE分析理解心电图前端中的右腿驱动

SPICE是一种有效的工具SPICE是一种有效的工具作者:Matthew Hann,德州仪器 (TI) 精密模拟和传感应用经理
心电图 (ECG) 学是一门将心脏离子去极(ionic depolarization) 后转换为分析用可测量电信号的科学。模拟电子接口到电极/患者设计中最为常见的难题之一便是优化右腿驱动 (RLD) ,其目的是实现较高的共模性能和稳定性。利用SPICE分析,可大大简化这一设计过程。

在ECG前端中,RLD放大器具有Vref的共模电极偏置,并反馈经过反相处理的共模噪声信号 (enoise_cm),以降低测量放大器增益级输入端总噪声。图1中,源ECGp和ECGn被分离开,目的是表明RLD放大器如何为一部分ECG信号提供共模参考点,而这一部分ECG信号可在测量放大器 (INA) 的正负输入端看到。左臂、右臂和右腿的并联RC组合,代表了集总无源电极连接阻抗(本文后面部分以52kΩ和47nf表示)。假设enoise以寄生方式耦合至输入,则enoise_cm的反馈会降低每个输入端的总噪声信号,并使用外部方法过滤剩余噪声,或者利用测量放大器的共模抑制比 (CMRR) 来对其进行抑制。

LEAD I和RLD简易连接

图1 LEAD I和RLD简易连接

在图2、3和4中,我们可以看到共模抑制变化情况,表明共模测试电路具有不同的RLD放大器增益。这些图表明,无反馈电阻器(即增益无限)时达到最佳低频CMRR;但是,在现实世界中,对于那些要求在某条输入放大器引线被拔掉后RLD放大器仍能线性运行的应用来说,去除DC通路和/或将RF设置为某个高值或许并不实际。

CMRR与RLD增益的关系

图2 CMRR与RLD增益的关系

CMRR图与频率和RLD增益 (RF) 的关系

图3 CMRR图与频率和RLD增益 (RF) 的关系

MCRR  RLD与无RLD的关系

图4 MCRR RLD与无RLD的关系

小信号脉冲测试电路

图 5 小信号脉冲测试电路

图5输出的曲线图

图6 图5输出的曲线图

一旦确定RLD放大器的增益,便可使用图5所示测试电路,并在环路中注入一个小信号阶跃,然后监视输出响应情况。这时,响应(图6所示)显示出强输出振荡,表明环路中出现不稳定性。引起这种不稳定的主要反馈通路是RLD放大器周围的身体/电极/测量放大器反馈通路。图7所示测试电路,允许在一个波特图上单独分析RLD放大器的反馈和开环增益 (AOL) 曲线图。

电极/测量放大器反馈测试电路

图7 电极/测量放大器反馈测试电路

图9所示1/β(反馈)曲线图代表了图7模拟结果。请注意,在没有外部补偿网络时,1/β 曲线接近AOL曲线,且接近速率 (ROC) >20dB/dec,其表明存在不稳定性(证明过程,在此不作讨论)。要解决这个问题,需在RLD放大器的局部反馈中添加一个串联Rc和Cc(图9所示Zc),这样总1/β便与AOL曲线交叉,其接近速率 (ROC) ≤ 20dB/dec,且环路增益相补角>45°(图12)。之后,Zc成为20k-30kHz之间的主要反馈通路。图11显示了这种新的、经过补偿之后的1/β图(基于Rc和Cc差异)。

补偿网络测试电路

图8 补偿网络测试电路

AOL、1/β和Zc

图9 AOL、1/β和Zc

补偿后的右腿驱动

图10 补偿后的右腿驱动

不同Cc值的AOL和1/β

图11 不同Cc值的AOL和1/β

图10的环路增益和相位

图12 图10的环路增益和相位

总之,SPICE是一种有效的工具,可帮助快速分析和优化RLD前端电路的性能和稳定性。请记住,模型的好坏决定了模拟的质量,因此对一些重要规格建模就十分重要,例如:噪声、AOL、开环Zout以及CMRR与频率关系等。另外,这项工作应在开始分析和设计以前就完成。

参考文献

《生物医学设备技术入门》,作者:Brown、John 和 Joseph Carr,美国新泽西州普伦蒂斯·霍尔出版社,1981和1993年。
《心电图简说》,作者:Dubin, Dale,佛特迈尔斯Cover出版公司,2000年。
《运算放大器稳定性第2部分(共15部分):运算放大器网络,SPICE分析》,作者:Green, Timothy。

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