MCCS142235DW心电放大器前置级的两种方案,(a)同相比例放大电路 (b)仪用放大器.

第二级要完成的主要任务之一是进一步提高放大电路的电压增益,使总增益达到1000倍。其次为了消除高、低频噪声,需要设计一个带通滤波器。由于对滤波器没有特殊要求,故采用较简单的一阶高通滤波器和一阶低通滤波器构成带通滤波器。高通滤波器的下限频率为0.05Hz,低通滤波器的上限频率为200Hz。

详细设计,根据上述设计方案,心电放大电路原理图如图11.2.3所示。A1、A2、A3及相应电阻构成前置仪用放大器。本级分配的差模电压增益为40,其中A1、A2构成的差放分配25倍,A3构成的差放分配1.6倍。为保证仪用放大器有较

好的抗共模干扰能力,应选用对称的电阻参数,即:r2=R3、R6/R4=R7/R5。

根据“两虚”的概念和增益分配有

       aui1=uo1-uo2/ui=r1+r2+r3/r1=25

       aud2=uo3/uo1-uo2=-r6/r4=-1.6

心电放大器的原理图,由于对电路的功耗和分布参数没有特别要求,所以可选取电阻参数R1=2kΩ、R4=10kΩ,由上述关系算出:R2=R3=24kΩ、R5=R4=10kΩ、R6=R7=16kΩ。此时前置仪用放大器差模电压增益满足设计要求。

为避免输人端开路时放大器出现饱和状态,在两个输入端到地之间分别串接两个电阻R8、R9。为满足差模输人阻抗大于107Ω的要求,选取R8=R9=20MΩ。

第二级由A4及电阻、电容组成带通滤波器,由于总增益要求为1000倍,前置级已分配40倍,所以本级通带内的差模电压增益应为25倍。

已知带通滤波器通带内的差模电压增益表达式为

Aud3=uo/uo3=1+r12/r11=25

取R11=1kΩ, 则R12=24kΩ。

此时,通带内的差模电压总增益为:aud=audl×aud2×Avd3=25×(-1.6)×25=-1000,满足增益要求。

C1、R10构成高通滤波器,设计要求为五=0.05Hz。取RiO=1MΩ,则根据fl=1/(2π×C1×r10)可算出C1=3.18uF,取C1=3.3uF标称值的电容器。则下限频率为fl=1/(2π×C1×r10)=0.048 Hz。

C2、R12构成低通滤波器,要求上限频率为200 Hz。则根据凡=1/(2π×C2×r12)和r12=24kΩ可算出C2=0.033 16 uF,取C2=0.033 uF标称值的电容器,则上限频率为

fH=1/(2π×C2×r12)=200.95 Hz

满足带宽要求。

调试,计算机仿真调试要完成的主要任务有:

功能分析及指标测量。

参数灵敏度分析及容差分析。

功能分析及指标测量是分析放大器能否完成正常的放大功能,在元件标称值下能否满足技术指标要求。元器件的实际参数与标称值总是存在一定的误差,参数灵敏度分析及容差分析能为我们选择元器件参数精度提供依据。

通过对放大器进行Time Domain(时域)分析,得到图11.2.4a所示的输入、输出波形,可知心电放大器能完成正常放大功能①。

关于指标分析,由小信号直流增益分析(Calculate smd1-signa1 DC gain)得到差模输人电阻为4×107Ω,共模输人电阻为1×107Ω,满足设计要求。

通过AC Sweep分析,心电放大器差模增益的幅频响应如图11,2.4b所示。从图中看出增益和频带宽度满足要求(差模增益为59.997 dB,即999.65倍,误差在千分之一以内)。图c是共模增益的幅频响应。因为共模抑制比

      KMR=201gaud/auc=201g|Aud|-201g|Auc|

所以,由图b和图c得KcMR=59.997-(-74.082)=134.097,满足设计要求。

参数灵敏度分析及容差分析。这里主要分析参数变化对前置仪用放大器共模抑制比的影响。

通过最坏情况分析可知,前置仪用放大器中电阻参数变化对差模增益的影响程度由强到弱依次为r1、R6、R4、R3和R2、r5、R7。

而对于共模电压增益来说,分析结果与差模情况差别较大,电阻参数变化对共模增益的影响程度为R5、R6最强,其次是R4、R7,最后为凡、R2、R3。

通过蒙特卡罗②容差分析,在R5、R6精度为0,1%,R4、R7精度为0.5%,r1、R2、R3精度为1%,样本数为200,且阻值均匀分布时,差模电压增益误差不超过2%的成品率为100%,共模电压增益小于4×10-3的成品率

教学版的SPICE有一定限制,最多只能分析三个运放构成的放大电路,仿真时可以将前置级和包括滤波器在内的第二级分开进行分析。

Monte carlo一种统计分析。