心电放大器的设计与仿真

1、嵌旳雯乡训於大場HANGZHOU IDIANZf UNIVERSITY电子线路CADS学期 设计报告学院：电子信息学院学号：15041523班级：15040211姓名：卢虎林日期：2017年3月11日一、实验目的通过一个实例来说明 Pspice 对设计方案和具体电路进行分析 的过程，理解电路的自上而下的设计方法。二、实验原理设计一个心电图信号放大器。已知 :(1 )心电信号幅度在 50卩V5mV之间，频率范围为 0.032Hz 250Hz。(2) 人体内阻、检测电极板与皮肤的接触电阻 (即信号源内阻 )为 几十千欧。(3) 放大器的输出电压最大值为 -5V+5V。1 、 确定总体设计目标由已知

2、条件( 1)可知该放大器的输入信号属于微弱信号 , 所要求 的放大器应具有较高的电压增益和低噪声、低漂移特性。由已知条 件(2)可知,为了减轻微弱心电信号源的负载 , 放大器必须有很高的 输入阻抗。另外，为了减小人体接收的空间电磁场的各种信号 (即共 模信号) ，要求放大器应具有较高的共模抑制比。因此，最后决定的 心电放大器的性能指标如下：差模电压增益： 1000(5V/5mV)；差模输入阻抗：10MQ;共模抑制比： 80dB；通频带： 0.05Hz250Hz。2 、方案设计根据性能指标要求 , 要采用多级放大电路，其中前置放大器的设 计决定了输入阻抗，共模抑制比和噪声，可选用BiFET型运放

3、,本设计 采用了 LF4111 型运放(其中 Avo=4 10 ,Rid 4 10 Q ,Avc=2)，由 于单极同相放大器的共模抑制比无法达到设计要求 ( 可通过 Pspice 仿真波形看出)，本设计采用了由三个LF411型运放构成的仪用放大器。第二级放大器的任务是进一步提高放大电路的电压增益，使总 增益达到 1000。其次为了消除高、低噪声，需要设计一个带通滤波 器。因为滤波器没有特殊要求，本设计可采用较简单的一阶高通滤 波器和一阶低通滤波器构成的带通滤波器。3 、 详细设计根据上述设计方案，确定了心电放大电路的原理图，如图 5-1 所示。A1、A2、A3及相应的电阻构成前置放大器，其差模

4、增益被分 配为40,其中A1、A2构成的差放被分配为16,其计算公式为： Avd1=(Vo1-Vo2)/Vi=(R1+R2+R3)/R1 ， Avd2=Vo3/(Vo1-Vo2)=- R6/R4=1.6。为了避免输入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R11、R22,其取值很大，以满足差模输入阻 抗的要求。第二级由 A4 及相应的电阻、电容构成。在通带内,其 被分配的差模增益应为 (1000/40=25) ,即Avd3=vo/vo3=1+R10/R9=25取 R9=1KQ, R10=24KQ。 C1、R8 构成高通滤波器,要求 f =0.05Hz。取R8=1M

5、Q，则可算出 8= 4.58卩F,取标称值电容 C1=4.7 F,算得 fL=1/(2 ji C1 R8)=0.034Hz。C2, R10构成低通滤 波器，要求f =200Hz。取R10=24Q ,可算出C2=0.03316 F,取标称 值电容 C2=0.033 F,最后算出 f =1/(2 j C2 R10)=251.95Hz。可 见满足带宽要求。4，实验原理图R11ImVac0VdcR12321k20MEG20MEGV2Voutj V3TitleSizeDocument NumberRevARevDate:Saturday , March 11, 2017ISheet1of1Code图5-

6、1 心电放大器原理图三、预习内容完成心电图信号放大器原理图的初步设计四、实验内容计算机仿真调试，试计算：电压增益；上限频率，下限频率和带宽;差模输入电阻；共模抑制比。五，实验步骤1、由直流小信号分析得到差模输入电阻为 4 10A7Q ,共模输入 电阻为2 10人7Q。可见满足性能指标要求。2、由幅频特性分析得到前置放大器的差模幅频特性和共模幅频 特性如图5-2、5-3所示。可测得差模增益 Avd=40,频宽 BW=345151Hz共模增益Avc=7.95 10人-6。可见，共模抑制比为40/(7.95 10-6 )5 106=134dB 满足性能指标要求。3、 由幅频特性分析得到第二级带通放大

7、器的幅频特性如图5-4 所示，可测得Av25,f l0.032Hz,f h =200Hz.满足设计要求。4、 由差模输入阻抗仿真图5-5所示，可满足差模输入阻抗10M Q的要求。5、通过蒙特卡罗容差分析，得到如下结论：只有在电阻R1R7的精度为0.5%时，才能保证共模增益小于4X 10-3，共模抑制比才 能大于80dB,由此看出，仪用放大器的共模抑制比取决于电阻精度 和A1与A2的匹配程度(对A1与A2的参数进行分析也能得到同样的 结果)。但是要购买到精度这样高的电阻并不容易，实际上简单而有 效的办法是在相应的支路上串接一个精密电位器，如图1中的Rp1、Rp2等，通过调节电位器将电路调整到最佳匹配状态。图5-2前置放大器的差模幅频特性3/ V|l|图5-3前置放大器的共模幅频特性图5-4第二级带通放大器的幅频特性加逆叱?图5-5差模输入阻抗仿真图六，总结想要获得清晰稳定的心电信