利用SPICE分析优化右腿驱动实现较高的共模性能和稳定性
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3cmrr 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9aol、1/β和zc
图10补偿后的右腿驱动
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。
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图8补偿网络测试电路
图9aol、1/β和zc
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