아날로그회로설계과목 : 심전계 설계 및 제작

ECG 증폭기

1. 설계 목적

1.1 3OP 증폭기 회로의 작동 원리와 설계 방법을 알아봅니다.

1.2 학습 차이 모드 신호와 *** 모드 신호

1.3 버터워스 저역 통과 필터 설계에 익숙합니다.

2. 설계 내용 및 요구 사항

2.1 ECG 증폭 회로를 설계합니다. 기술 사양은 다음과 같습니다.

2.1.1 차동 모드 증폭 AVD=100 ;

2.1.2*** 모드 억제 60dB;

2.1.3 통과 대역 0~30Hz.

2.1.4 저지대역 차단 깊이는 40dB입니다.

3. ECG 증폭기의 기본 원리

ECG 증폭기는 심전도(Electrocardiogram) 신호입니다. 증폭기. Ag2AgCI 전극은 환자의 왼팔, 오른팔, 허벅지에 부착되어 있으며, 체표면에서 얻은 ECG 신호는 통합 연산 증폭기 CF318로 구성된 전치 증폭기로 증폭된 후 필터링된 후 ADC에 입력됩니다. 디지털 변환되어 레코더나 LCD 디스플레이로 전송됩니다. 따라서 ECG 신호를 정확하게 획득하려면 고임피던스, 고이득 증폭기가 핵심입니다. ECG 증폭기의 시뮬레이션 부분은 아래 그림에 나와 있습니다.

ECG 증폭기의 성능 지표 결정

(1) 인간 ECG 신호의 진폭은 일반적으로

50μV~ 5mV, 이는 약한 신호입니다. 증폭기 출력 신호는 일반적으로 - 5 ~ + 5V이므로 증폭기의 차동 모드 전압 이득은 약 100이 필요합니다.

(2) 신호의 주파수 범위(통과 대역) 일반은 0~30Hz입니다.

(3) 인체의 내부 저항과 감지 전극과 피부 사이의 접촉 저항은 신호 소스의 내부 저항은 일반적으로 약한 ECG 신호 소스의 부하를 줄이기 위해 수십 kΩ입니다. 증폭기의 차동 모드 입력 임피던스는 10 MΩ보다 큽니다.

(4) 인체는 도체와 동일하며 공간 전자기장으로부터 다양한 간섭 신호를 수신합니다. 이는 증폭기의 ***모드 신호와 동일하므로 증폭기의 최대 모드 거부율은 60dB입니다.

(5) 낮은 노이즈와 낮은 드리프트 특성이 요구됩니다.

소신호 증폭

프로그램 설계:

(1) 다단계 통합 연산 증폭기를 사용하여 높은 차동 모드 달성 전압 이득, 각 레벨의 이득은 균등하게 분배됩니다.

(2) 3개의 연산 증폭기 회로:

입력 임피던스, ***모드 제거율 및 잡음은 주로 전단에 의존하므로 입력단은 통합 연산 증폭기 CF318 프리앰프인 이 연산 증폭기는 높은 입력 임피던스와 낮은 잡음을 달성할 수 있습니다. 증폭 회로는 두 단계로 나누어집니다. 첫 번째 단계는 A1, A2 및 해당 저항이 프리앰프를 구성합니다. 두 번째 단계에서는 차동 증폭기 회로를 사용하여 신호 증폭을 달성합니다. 두 레벨의 총 배율은 5배입니다. 회로도는 다음과 같습니다.

이 회로의 출력 특성은 다음과 같습니다.

=100k, =k=51k, ==100k, Vo=-5Vi일 때

증폭기 첫 번째 단계는 깊은 전압 시리즈 네거티브 피드백 회로이므로 입력 저항이 매우 높습니다. 동일한 특성을 가진 연산 증폭기를 선택하면 최대 모드 출력 전압과 드리프트 전압도 동일해집니다. 차동 회로를 구성한 후 서로 상쇄할 수 있으므로 최대 모드 억제 기능이 강력하고 출력 드리프트 전압이 더 작습니다. 회로는 더 높은 차동 모드 전압 이득을 가질 수 있습니다.

(3) 2차 버터워스 저역 통과 필터 증폭기 회로:

이상적인 특성을 가진 필터를 구현하는 것은 어렵습니다. 이상적인 특성을 최대한 근사화할 수 있을 뿐입니다. 일반적으로 사용되는 근사 방법에는 버터워스 최대 평탄 반응, 체비쇼프(C he by sh e v ) 및 기타 변동 반응이 포함됩니다. 체비쇼프 필터 회로는 차단 주파수에서 빠르게 감쇠되지만 통과대역에서는 변동이 큽니다. 통과대역의 큰 변동이 허용되지 않는 경우, 통과대역 범위 내에서 가장 평탄한 진폭-주파수 곡선을 얻기 위해 버터워스형 2차 저역통과 필터 회로가 선택되며 구조가 간단하고 작습니다. 대역 내 리플이 가능하며 필터링이 용이합니다.

50Hz의 간섭 신호는 상대적으로 강하기 때문에 필터 회로에서는 저역 통과 필터링을 사용하여 30Hz 이상의 신호를 필터링하므로 30Hz 이상의 간섭 신호를 필터링할 수 있습니다. 따라서 통합 연산 증폭기 A4, 저항기 및 커패시터를 사용하여 저역 통과 능동 필터를 형성합니다. 대역폭 요구 사항을 충족시키기 위해 저역 통과 필터는 C와 R10으로 구성되며 상한 주파수는 f H = 30Hz입니다. 필터 회로에는 RC 저역 통과 필터 회로가 사용되므로 회로는 다음과 같습니다. 출력 임피던스가 높기 때문에 후속 증폭기는 비반전 증폭기 회로를 설치하고 이 단계의 차동 모드 이득은 2배이므로 전체 회로의 증폭률은 약 125배가 됩니다. 또한 필터의 특성 매개변수는 부품의 정확도에 매우 민감하므로 더 나은 결과를 얻으려면 정밀한 저항성 및 용량성 부품을 설계에 사용해야 합니다. 회로도는 그림 2에 나와 있습니다.

2차 저역 통과 필터의 전달 함수

여기서, 등가 품질 계수 Q=1/(3-A), 특성 각주파수

차단 주파수는 f=30Hz, C=0.1uF, , R=53.1k로 계산되며 공칭 값은 51k로 간주됩니다.

구해진 증폭 계수는 증폭 계수를 보장하기 위한 것입니다. A=2, Rf k .=100KM,R1.=100K를 취합니다.

(4) 반비례 증폭 회로:

적분 연산 증폭기 A5로 구성된 반비례 증폭 회로는 회로의 입력 저항이 상대적으로 크기 때문에 필터에 직접 연결해야 합니다. 회로 뒤의 전반적인 요구 사항은 전체 회로의 증폭 계수가 약 100이므로 증폭 회로의 이 단계의 증폭 계수는 설계 요구 사항을 충족하기 위해 약 5~6배입니다. 회로도는 다음과 같습니다:

이 회로의 경우 증폭 계수는 AV=Rf/R1입니다. R1=R2=10K 및 Rf=51K를 사용할 수 있습니다.

(5) 위의 3개 회로를 모아 전체 회로의 회로도를 구성합니다. 아래 그림과 같이:

IV. 장비 선택

1. 3개 연산 증폭기 회로에서는 처음 두 개의 전압 분배 저항의 저항이 상대적으로 커야 하며 정확도가 높아야 합니다. 크기가 같고 위상이 반대인 A 세트의 차동 모드 전압이 여기에 형성되어야 하기 때문에 저항기의 저항 값이 낮거나 정밀도가 낮으면 오류가 커집니다. 약한 ECG 신호 측정에 심각한 영향을 미칠 통합 연산 증폭기에 의한 증폭 후에 더 커집니다. 따라서 저항값이 30M인 금속막 저항기 RJ형 고정밀 저항기를 선택할 수 있습니다.

2. ECG 신호의 크기는 약 50±0±8V~5mV입니다. 1단계 3연산 증폭기 회로에서 증폭되는 전압은 수십 밀리볼트에 불과합니다. 상대적으로 낮기 때문에 전력은 일반 저항기의 전력 정격을 초과하지 않습니다. 따라서 일반 저항기는 요구 사항을 충족할 수 있으며 RT 유형의 탄소 필름 저항기를 선택할 수 있습니다.

3. 통합 연산 증폭기가 포함된 회로의 경우 영점 조정 문제를 고려해야 합니다. ECG 신호와 같은 작은 신호를 측정하는 경우 영점 조정의 필요성이 특히 중요합니다. 영점 조정 방법: 저항이 0~10KΩ인 핀 1과 핀 5 사이에 영점 조정 전위차계를 추가하고 입력 단자를 단락하고 출력 단자의 전압을 측정한 후 출력 전압이 0이 될 때까지 전위차계를 조정합니다. .

4. 이 회로는 60dB 이상의 최대 모드 거부율, 높은 정밀도, 낮은 드리프트, 작은 온도 계수, 큰 입력 저항 등을 요구합니다. 포괄적인 고려 사항으로 CF318 통합 연산 증폭기를 선택할 수 있습니다. 통합 연산 증폭기 CF318의 경우 각 핀의 기능은 다음과 같습니다. 1, 5는 영점 조정 및 위상 보상 모두에 사용할 수 있으며, 2는 반전 입력 단자, 3은 비반전 입력 단자, 4는 음극입니다. 전원 공급 장치, 7은 양극 전원 공급 장치, 6은 출력 단자로, 8은 위상 보상이기도 합니다. 따라서 CF318을 사용하여 1과 5 사이에 외부 전위차계를 직접 연결하여 연산 증폭기와 전체 회로를 영점 조정할 수 있습니다.

5. 이 회로는 ***모드 거부율이 60dB, KCMR=|AVD/AVC|여야 합니다. 이 회로는 ***모드 전압 이득을 직접 계산할 수 없으며 측정을 통해서만 측정할 수 있습니다. * **터치 전압 이득. 측정 방법: 두 개의 입력 단자를 함께 연결하고 전압 Vi가 있는 입력 신호를 연결하고 출력 단자에서 전압 VO를 측정하면 AVC=VO/Vi를 얻을 수 있으며 최대 모드 억제 비율을 계산할 수 있습니다.

6. 30HZ 2차 버터워스 저역 통과 필터 회로

측정된 신호의 주파수 범위는 0~30HZ가 필요하며 저역 통과 필터는 다음과 같습니다. 0~30Hz 사이여야 합니다.

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평탄성이 더 좋습니다. 버터워스 저역 통과 필터는 최대 평탄도 특성을 갖습니다.

2차 버터워스 저역 통과 필터를 선택하기 위한 각 구성 요소의 매개 변수는 다음과 같습니다. C1=C1=0.1?0?8F, R=5.1K, Rf=R1=100K 왜냐하면 대부분의 커패시터는 1?0?8F 이상입니다. 전해 커패시터는 필터링 효과가 좋지 않으며 100pF 미만의 커패시터는 정전 용량이 분산되기 쉽습니다. 따라서 여기서는 CT4 모델의 0.1?0?8F 무기 유전체 커패시터가 사용되며 작동 전압은 40~100V입니다. 25~85도, 이 회로의 설계 요구 사항을 완전히 충족합니다. 저항기에 대한 요구 사항은 그리 높지 않으므로 가장 일반적으로 사용되는 탄소 필름 저항기 RT 유형을 선택하면 됩니다.