心電圖 （ECG） 學是一門將心臟離子去極（ionic depolarization） 后轉換為分析用可測量電信號的科學。模擬電子接口到電極/患者設計中最為常見的難題之一便是優化右腿驅動 （RLD） ，其目的是實現較高的共模性能和穩定性。利用 SPICE 分析，可大大簡化這一設計過程。

　　在 ECG 前端中，RLD 放大器具有 Vref 的共模電極偏置，并反饋經過反相處理的共模噪聲信號 （enoise_cm），以降低測量放大器增益級輸入端總噪聲。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 號提供共模參考點，而這一部分 ECG 信號可在測量放大器 （INA） 的正負輸入端看到。左臂、右臂和右腿的并聯 RC 組合，代表了集總無源電極連接阻抗（本文后面部分以 52k? 和 47nf 表示）。假設 enoise 以寄生方式耦合至輸入，則 enoise_cm 的反饋會降低每個輸入端的總噪聲信號，并使用外部方法過濾剩余噪聲，或者利用測量放大器的共模抑制比 （CMRR） 來對其進行抑制。

　　圖 1 LEAD I 和 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）時達到最佳低頻 CMRR；但是，在現實世界中，對于那些要求在某條輸入放大器引線被拔掉后 RLD 放大器仍能線性運行的應用來說，去除 DC 通路和/或將 RF 設置為某個高值或許并不實際。

　　圖 2 CMRR 與 RLD 增益的關系

　　圖 3 CMRR 圖與頻率和 RLD 增益 （RF） 的關系

　　圖 4 MCRR RLD 與無 RLD 的關系

　　圖 5 小信號脈沖測試電路

　　圖 6 圖5輸出的曲線圖

　　一旦確定 RLD 放大器的增益，便可使用圖 5 所示測試電路，并在環路中注入一個小信號階躍，然后監視輸出響應情況。這時，響應（圖 6 所示）顯示出強輸出振蕩，表明環路中出現不穩定性。引起這種不穩定的主要反饋通路是 RLD 放大器周圍的身體/電極/測量放大器反饋通路。圖 7 所示測試電路，允許在一個波特圖上單獨分析 RLD 放大器的反饋和開環增益 （AOL） 曲線圖。

　　圖 7 電極/測量放大器反饋測試電路

　　圖9所示 1/β（反饋）曲線圖代表了圖 7 模擬結果。請注意，在沒有外部補償網絡時，1/β 曲線接近 AOL 曲線，且接近速率 （ROC） 》20dB/dec，其表明存在不穩定性（證明過程，在此不作討論）。要解決這個問題，需在 RLD 放大器的局部反饋中添加一個串聯 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，且環路增益相補角》 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、經過補償之后的 1/β 圖（基于 Rc 和 Cc 差異）。

　　圖 8 補償網絡測試電路

　　圖 9 AOL、1/β 和 Zc

　　圖 10 補償后的右腿驅動

　　圖 11 不同 Cc 值的 AOL 和 1/β

　　圖 12 圖 10 的環路增益和相位

　　總之，SPICE 是一種有效的工具，可幫助快速分析和優化 RLD 前端電路的性能和穩定性。請記住，模型的好壞決定了模擬的質量，因此對一些重要規格建模就十分重要，例如：噪聲、AOL、開環 Zout 以及 CMRR 與頻率關系等。另外，這項工作應在開始分析和設計以前就完成。

　　作者：Matthew Hann，德州儀器

　　原文請參見：http://www.deyisupport.com/blog/b/medical_electronics/archive/2013/11/25/spice.aspx

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