心电放大器
一、设计目的
1.1学习三运放电路工作原理与设计方法;
1.2 学习差模信号与共模信号;
1.3熟悉巴特沃兹低通滤波器的设计。
二、设计内容与要求
2.1设计心电放大电路，技术指标如下：
2.1.1差模放大倍数AVD=100;
2.1.2共模抑制60dB;
2.1.3通频带0~30Hz。
2.1.4阻带截止深度40dB.
三、心电放大器基本原理
心电放大器即心电图( Electrocardiogram) 信号放大器。将Ag2AgCI 电极贴在病人左臂、右臂和大腿上,从体表获得的心电信号经集成运放CF318 构成的前置放大器放大后,再经滤波处理,然后进入ADC 进行模数转换,送记录仪或液晶显示。因此一高阻抗、高增益的放大器是准确获取心电信号的关键。心电放大器模拟部分如下图所示：
确定心电放大器的性能指标
(1) 人体心电信号幅度一般在
50μV～5 mV ,属于微弱信号,放大器输出信号一般在- 5～ + 5V ,因此,要求放大器的差模电压增益为100左右;
(2) 信号的频率范围(通频带) 一般为0-30Hz;
(3) 人体内阻、检测电极与皮肤的接触电阻为信号源内阻,阻值一般为几十kΩ ,为了减轻微弱心电信号源的负载,要求放大器的差模输入阻抗大于10 MΩ;
(4) 人体相当于一个导体,将接收空间电磁场的各种干扰信号,它们对放大器来说相当于共模信号,因此放大器的共模抑制比为60dB;
(5) 要求具有低噪声和低漂移特性。
微小信号的放大
方案设计:
(1)采用多级集成运放实现差模电压的高增益,且各级增益均衡分配。
(2)三运放放大电路：
由于输入阻抗、共模抑制比和噪声主要取决于前级,因此输入级采用集成运放CF318构成前置放大器,该运放能实现高输入阻抗和低噪声。该放大电路分两级，第1 级:A1 、A2 及相应电阻构成前置放大器。第二级采用差分式放大电路实现信号放大。两级总的放大倍数为5倍。电路图如下：
该电路输出特性为：
当 =100k, =k=51k, = =100k时， Vo=-5Vi
该放大器第一级是具有深度电压串联负反馈的电路，所以它的输入电阻很高。如选用相同特性的运放，则它们的共模输出电压和飘移电压也都相等，组成差分式电路以后，可以互相抵消，所以它有很强的共模抑制能力和较小的输出飘移电压，同时该电路可以有较高的差模电压增益。
（3）二阶巴特沃兹低通滤波放大电路：
具有理想特性的滤波器上很难实现的，只能尽量逼近理想特性，常用的逼近方法有巴特沃兹（Butterworth）最大平坦响应和切比雪夫（C h e b y s h e v ）等波动响应。切比雪夫滤波电路的截止频率处衰减快，但通带里有较大波动。在不允许通带里有较大波动的情况下，为了在通带范围内可得到最平坦的幅频曲线，选择Butterworth 型二阶低通滤波电路. 它结构简单，带内纹波小，滤波效率高。
由于50 Hz的干扰信号较强,故在滤波电路中,采取低通滤波滤出30Hz 以上的信号,这样就能滤除30Hz以上的干扰信号。因此采用集成运放A4 及电阻、电容组成低通有源滤波器。为满足带宽要求该低通滤波器由C 、R10 构成,上限频率为f H = 30Hz， 由于在滤波电路中采用了RC 低通滤波电路,该电路具有较高的输出阻抗,所以后级放大采用了同相放大电路,该级差模增益为2倍 ,从而保证整个电路放大倍数为125倍左右。另外,由于该滤波器的特性参数对元器件的精度很敏感,因此在设计中需用精密的阻容元件来获得较好的效果。电路原理图如图2 所示。
二阶低通滤波器的传递函数
其中， ,等效品质因数Q=1/(3-A),特征角频率
截止频率f=30Hz,C=0.1uF, ，计算得R=53.1k，取标称值为51k，
获得的放大倍数为 ，为保证放大倍数A=2，取Rf k.=100KM,R1.=100K。
（4）反向比例放大电路：
用集成运算放大器A5构成的反向比例放大电路，应为该电路的输入电阻比较大可以直接接在滤波电路后面，整体要求整个电路的放大倍数为100左右，因此此级放大电路的放大倍数约为5～6倍才能满足设计要求。其电路图如下：
对于这个电路，其放大倍数为AV=Rf/R1.可以取R1=R2=10K，Rf=51K。
（5）将以上三个电路合在一起就组成整个电路的电路图。如下所示：
四、器材选择
1、 在三运算放大电路中，前面的两个分压电阻阻值应比较大且精度较高，因为在该处要形成一组大小相等，相位相反的差模电压，如果电阻阻值较低或者精度较低都会产生较大的误差，经过集成运放放大后的误差更大，从而影响的本来就很微弱的心电信号的测量。因此可以选金属膜电阻器RJ型阻值为30M的高精度电阻。
2、 心电信号的大小大约在50?0?8V～5mV左右，经过第一级三运放放大电路放大后的电压也只是几十毫伏，电压较低，因此功率不会超过一般电阻的额定功率。因此一般的电阻都能够满足要求.可以选用碳膜电阻RT型。
3、 对于含有集成运放的电路，都必须要考虑调零的问题，而对于测量心电信号这样的小信号，调零的必要性显得尤为重要。调零方法：在1脚和5脚之间加一个调零电位器，其阻值为0～10KΩ，将输入端短接，测量输出端电压，调节电位器，使输出电压为零即可。
4、 本电路要求共模抑制比大于60dB，具有高精度，低漂移，温度系数小，输入电阻大等特点，综合考虑可以选用CF318集成运放。对于集成运放CF318，其各脚功能如下：1，5既可以是调零又可以是相位补偿，2为反相输入端，3为同相输入端，4为负电源，7为正电源，6为输出端，8也是相位补偿。因此用CF318可以直接在1和5之间外接一个电位器对运放以及整个电路进行调零。
5、 电路要求共模抑制比为60dB，KCMR=|AVD/AVC|，此电路无法直接计算出共模电压增益，只能通过测量的方法测出共摸电压增益。测量方法：将两输入端接在一起和一个电压为Vi的输入信号相接，测量输出端的电压VO，可以得到AVC=VO/Vi，计算出共摸抑制比。
6、 30HZ二阶巴特沃兹低通滤波电路
要求所测的信号的频率范围为0～30HZ，要求低通滤波器在0～30Hz
平坦特性比较好。巴特沃兹低通滤波器具有最大平坦特性。选用二阶巴特沃兹低通滤波器的各元器件的参数如下：C1=C1=0.1?0?8F， R=5.1K,Rf=R1=100K.由于1?0?8F以上的电容大都为电解电容，滤波效果不好，而100pF以下的电容容易产生分布电容，因此这里选用CT4型号的中的0.1?0?8F的无机介质电容，它的工作电压为40～100V，温度范围-25～85度，完全满足该电路的设计需要。对电阻的要求不是很高，可以选用最常用的碳膜电阻RT型。
拉扎维模拟cmos集成电路设计哪章最难
学习模拟电路设计首先要从分析模拟电路开始，模拟电路分析应遵循以下步骤：首先确定分析的目的，明确电路的问题；其次，将复杂电路分解成你熟识的基本电路模块；第三，利用基本电路模块的模型给系统建模；第四，对系统模型进行手工计算；第五，用仿真验证手工计算结果，如若不一致，则必须仔细查找其原因，而不能盲目的相信仿真结果。
另外，在做电路设计时，要特别注意电路中的信号流，包括电源。地。时钟。输入信号到输出信号的通路等关键通路，清楚了解整个系统的关键信号流，能更快找出电路中的问题，有效减少电路时的bug和缩短debug所用的时间。
前文中提到模拟电路的版图设计不光关系到芯片的性能和面积，还会影响芯片的功能，使芯片完全失效，因此我还想谈下模拟电路设计中的版图设计。现在SOC已成为芯片设计的主流趋势，将模拟电路与数字电路集成在一块芯片上，这将模拟电路的版图设计提高到一个新的难度。模拟电路版图设计的关键有两点：一是匹配；二是电源、地和关键信号的走线。有些前辈说模拟集成电路做的就是匹配，在高性能模拟集成电路中更是如此，匹配是降低offset、降低非线性失真、提高共模抑制比和电源抑制比。 减小工艺温度和电源电压对芯片性能影响的重要措施，比如bandgap电路的两个bipolar管子之比通常是1:8，这就是为了版图设计时更好地匹配。电源。地以及关键信号的走线设计主要是为了降低数字电路对模拟电路的干扰以及模拟电路中的敏感模块受模拟电路其他模块干扰。具体的学习方法是首先学习模拟版图的艺术这本书，掌握基本的模拟版图设计规则，更深层次的学习只能依靠在学习和工作中累积经验。
第三章是重难点，非常重要，要熟练到对于单及放大器闭着眼睛都能写出增益的表达式。
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毕查德·拉扎维于1985年在沙里夫理工大学的电气工程系获得理学学士学位，并分别于1988年和1992年在斯坦福大学电气工程系获得理学硕士和博士学位。他曾在AT&T贝尔实验室工作，随后又受聘于Hewlett-Packard实验室，直到1996年为止。1996年9月，他成为加利福尼亚大学洛杉矶分校的电气工程系副教授，随后晋升为教授。他从事的研究包括无线收发、频率合成，高速数据通信及数据转换的锁相和时钟恢复。其编著的《模拟CMOS集成电路设计》一书更是加州大学洛杉矶分校（UCLA）的新教材。其组织严谨，内容丰富，循序渐进。在阐述原理和概念时，由浅入深，逐步分析。模拟电路设计需要直观、严密和创新。在阐述各种模拟电路的改进和新电路结构的产生时，着重观察和分析，不断地提出问题和解决问题，重视这三方面能力的培养。
