利用 SPICE 分析理解心电图前端中的右腿驱动-AET-电子技术应用

利用 SPICE 分析理解心电图前端中的右腿驱动

Matthew Hann，TI精密模拟和传感应用经理

摘要： 心电图(ECG)学是一门将心脏离子去极(ionicdepolarization)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。

关键词： 心电仪心电图 ECG 电信号

Abstract：

Key words :

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。

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。
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图2 CMRR与RLD增益的关系

图3CMRR 图与频率和RLD 增益(R_F) 的关系

图4 MCRR RLD 与无RLD 的关系

图5小信号脉冲测试电路

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。

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）。