MAX837CPA双端输出波形的幅度频谱图

FOURIER COMPONENTS OF TRANsIENT RESPONSE V(Ⅴ01,Ⅴ02)

DC COMPONENT=-4.687239E-03

HARMON1C FREQUENCY FOURIER   NORMALIZED

电子电路SPrcE程序辅助分析ro1的波形

TOTAL HARMONIC DISTORTION=1.599462E+01 PERCENT

即:直流分量为-0.004687239V,高次谐波中3次和5.次谐波分量较大,分别为1,858V和0.3794V,且产生了相移。总谐波失真系数约为16%。电子电路设计与其他设计一样,通常采用自上而下的设计顺序,即从总体设计出发,最后设计具体电路。一般设计过程为:(1)确定总体设计目标;(2)方案设计;(3)详细设计;(4)调试;(5)印制板制各;(6)整机测试。每一步骤并不是完全独立的,在实际的设计过程中,这些设计步骤经常是交叉进行的,特别是(2)、(3)、(4)步。

电子电路的SPICE辅助设计贯穿在(2)、(3)、(4)步中,它的实质是用SPICE对设计方案和具体电路进行分析,通过仿真计算来发现设计上的错误和不合理之处,然后修改设计再仿真,直到设计正确、技术指标满足要求为止。因此,在辅助设计过程中,要用SPICE进行多次仿真。用SPICE程序进行辅助设计的一般程序如图1⒈2.1所示。在对具体电路进行多次仿真分析后,仍不能满足要求时,则需考虑修改设计方案。图11,2,1中虚线部分反映了这一过程。

下面通过例题介绍用SPICE程序进行辅助设计的过程。

例11.2.1 设计一个心电信号(ECG①),放大器(简称心电放大器),将人体的心电信号进行有效放大,放大器输出信号送到后续电路进行处理和显示,信号放大后的最大值在一5V~+5V之间。

解:确定总体设计目标,使用SPICE辅助,设计的一般过程方案设计,方案正确否确定电路结构和参数.

为确定总体设计目标,必须对设计对象有一个较全面的了解。对于心电放大器而言,使用者是医疗单位的医护人员,工作环境比较好。根据前人研究的结果可知,心电信号幅度一般在50 uV~5 mⅤ之间,属于微弱信号,这就要求放大器应具有较高的电压增益;信号的频率范围一般为0.05 Hz~200Hz,频带不是很宽。人体是心电信号的信号源,人体内阻、检测电极与皮肤的接触电阻等为信号源内阻,其阻值较大,一般为几十千欧。为了减轻微弱心电信号源的负载,放大器必须有很高的输人阻抗;人体相当于一个导体,将接收空间电磁场的各种干扰信号,其中包括工频干扰信号。这些干扰信号对放大器来说相当于共模信号,因此,心电放大器应具有较高的共模抑制比。另外,由于心电信号的微弱性还要求它具有低噪声和低漂移特性。

根据上述分析要求,考虑实现的可能性,确定心电放大器的性能指标如下:

差模电压增益:1000 误差: ±2%

差模输人阻抗:大于107Ω

共模抑制比: 大于80 dB

通频带:   0.05 Hz~200 Hz

由于心电放大器是心电信号检测系统的一部分,所以有关几何尺寸、重量、操作性能、外观要求等此处从略。

方案设计,由于差模电压增益要求为1000,需采用多级放大电路来达到增益的要求。

各级放大电路均采用集成运放设计,且增益分配要均衡。输人阻抗、共模抑制比和噪声主要取决于前置级,因此,前置放大电路的设计至关重要。根据高输人阻抗和低噪声要求,应选用输入级为JFET的运放,这里采用LF411型运放。该运放的ui=4×105,d≈4×1011Ω,c=2,KcMR=106dB。

前置级的设计有两种方案可选择,一种是由一个运放构成的较简单的同相比例放大器(为什么不能用反相比例放大器?),如图11.2.2a所示。另一种是由三运放构成的仪用放大器,如图11.2.2b所示。两者的最大区别是共模抑制比不同。若前置级分配的增益为40倍,则用SPICE分析,在电阻元件标称值下得到如下结果:

同相比例放大器:A=40,丸c=1.99,KcMR=26 dB;

仪用放大器:l=40,Acc=7.949×10^6,KcMR=134 dB。

实际电路中,电阻元件阻值均存在一定的误差,稍后进行的容差分析将看到,在电阻元件满足一定精度要求条件下,共模抑制比可以满足设计要求。由此可见,同相比例放大器不能满足共模抑制比的要求。因此,采用仪用放大器作为前置级。