利用SPICE分析理解心电图前端中的右腿驱动

　　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。

　　

 

　　图2 CMRR与RLD增益的关系

　　

 

　　图3 CMRR图与频率和RLD增益 (RF) 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)。

　　

 

　　图8 补偿网络测试电路

　　

 

　　图9 AOL、1/β和Zc

　　

 

　　图10 补偿后的右腿驱动

　　

 

　　图11 不同Cc值的AOL和1/β

　　

 

　　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。