利用SPICE分析和优化ECG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。