共模抑制比CMRR

第三章信号处理生物信号属低频微弱信号信号处理主要包括：信号放大、滤波、信号隔离本章重点：前置放大级的设计第一节生物电放大器前置级原理一、基本要求1、高输入阻抗2、高共模抑制比3、低噪声、低漂移4、设置保护电路（一）高输入阻抗输入阻抗不高——信号衰减、失真电极面积——影响电流密度、电极阻抗1111111111LsTLsssTsRRRRCRjRRZ2222222221LsTLsssTsRRRRCRjRRZ设：差模增益为Ad，输出电压为Uo，得：dissisoAZZZZUU2221isiddZZZAA'设Zs1=Zs2=Zs，且ZsZi，令Ad’=Uo/Us（对信号Us的电压增益）讨论：Zs从2k——150k变1.Zi=1M，%8.12'/'ddAA2.Zi=5M，输入阻抗越高越稳定%8.2'/'ddAA电极放大器名称参数名称ECG-AmpEEG-AmpVEP-AmpEMG-Amp输入阻抗1M5M200M100M输入端短路噪声（p-p）≤10V≤3V≤0.7V≤8V共模抑制比≥60dB≥80dB≥100dB≥80dB频带0.05-250Hz0.5-70Hz0.5Hz-3kHz2Hz-10kHz板电极片状或针电极21,siiCMBsiiCMAZZZUUZZZUU)11(21sisiiCMBAZZZZZUUU)(21ssiZZZissCMBAZZZUUU12（二）高共模抑制比UCM为共模干扰电压，放大器输入端A、B两点的电压分别为：则共模电压转化为差模电压UA-UB通常，则：（三）低噪声低漂移•措施：•差动输入形式•电路对称结构，严格挑选器件•采用调制式直流放大器•设置“复零”电路，将基线在特殊情况下复零（四）设置保护电路•人体安全保护电路•放大器输入保护电路•校准电路二、差动放大电路分析方法分析参数：共模抑制能力和输入阻抗RFR1R2R3+--+-+uid/2uid/2uouic+-ui1ui2)(2121iiicuuu21iiiduuuidiciuuu211idiciuuu212两输入端信号ui1和ui2由共模电压uic和差模信号uid组成：理想运放：（1）输入阻抗很高，同相、反相输入端电流小到可忽略I+=I-=0；（2）Av很高，输出电压有限，U+=U-所以：FoiiiRuuRRRRuRRRu23231232311123231)1(iFiFouRRuRRRRRu2111323113231idFFicFFouRRRRRRRuRRRRRRRuodocuu0113231RRRRRRRFFUoc、uod的数值均由外回路电阻决定，若：共模输入uic完全被抑制，不产生共模误差。电阻的匹配条件为：R1=R2，RF=R3121RRUUUUUAFiiodiod结论：共模增益Ac1=0，放大器的CMRR=∞实际情况：（1）CMRR不可能∞；CMRRD（2）电阻精度，CMRRR影响差动放大器共模抑制能力的因素1、由电阻失配所造成的CMRRR41dcdRAAACMRR3、器件本身共模抑制比CMRRD对总共模抑制比CMRR影响RDRDcdCMRRCMRRCMRRCMRRAACMRR2、由定义可知，CMRRD即开环差动增益Ad’与共模增益Ac’之比：''cdDAACMRR结论：（1）在同时考虑电阻失配和器件本身的CMRRD的影响时，放大器总的CMRR将进一步下降；（2）差动放大器的共模抑制能力受到放大电路闭环增益、外电路电阻匹配精度以及放大器本身共模抑制比等因素影响。3、差动放大器的输入阻抗ri=2R1综上分析：基本差动放大器这一电路形式不能满足生物电放大器前置级高输入阻抗要求的解决办法：（1）把差动输入信号都从同相端输入，大大提高输入阻抗（可高达10M以上）。（2）在差动放大电路前面增加缓冲级（同相电压跟随器），实现阻抗变换。例题•差动放大器电路所用的IC器件的共模抑制比CMRRD=100dB，放大电路闭环差动增益Ad=20，电阻误差δ=±0.1%，求放大器的总共模抑制比。当Ad=1时，放大器的总共模抑制比又是多少？dBACMRRdR4.74525041dBCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRRDRD741099.43放大器的总共模抑制比：比IC器件的共模抑制比小26dB。而当Ad＝1时，放大电路的共模抑制比进而下降为53.9dB。三、差动放大器应用电路（一）同相并联结构的前置放大电路ui1ui2+++---R1RFR1RFR'FRWR'Fuo试求:1.两级放大电路的差动增益Ad2.第一级的共模抑制比CMRR12A3A1A2Uo1Uo2•第一级共模抑制比CMRR12,则：212112CMRRCMRRCMRRCMRRCMRR•结论:1、第一级放大电路的共模抑制比能力取决于运放器件A1、A2本身共模抑制比的差异。2、为消除因CMRR1、CMRR2不为无穷大而造成A1、A2输出端有与输入端相同的共模电压，故应在A1、A2输出端接一级差动放大，以消除共模电压在电路中的传递。两级放大电路总共模抑制比：•在严格挑选A1、A2，使CMRR1、CMRR2严格对称时则：CMRR12Ad1CMRR3有：CMRRAd1CMRR312313121CMRRCMRRACMRRCMRRAAACMRRddcd•结论:同相并联差动放大器总共模抑制比主要取决于第一级的差动增益及第二级的共模抑制能力例3-1：如图所示为同相并联结构的ECG前置级实用电路，所用器件的共模抑制比均为100dB。输入回路中两电极阻抗分别为20k、23k。放大器输入阻抗实际有80M。放大器中所用电阻的精度=0.1％，其他参数如图所示。求包括电极系统在内的放大电路的总共模抑制比。同相并联差动结构电路作为生物电放大器前置级的设计步骤为：(1)器件选择。通过测量，确定共模抑制比严格对称的A1、A2（通常相差不应超过0．5dB）和高共模抑制比参数的A3（通常大于100dB）。(2)在影响共模抑制能力的诸因素中，第二级差动放大电路中电阻的匹配精度是主要的。通常用精密电桥选择高精度、高稳定性电阻，确定R1，再由Ad2的设计值确定RF(下支路的RF选电位器)。(3)前置级增益以及组成前置级的两级放大电路的增益分配，都影响总的CMRR值。在前置级增益确定之后，Ad1、Ad2互相制约。但是Ad1值取得较高一些，是有利于总的共模抑制能力的提高的。（二）同相串联结构的前置放大电路特点：少用－个运放。差动信号均由同相端进入，A1的输出uo1和ui2一起送入，从A2获得单端输出，故称串联结构。)(122121CMRRCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRAACMRRRRcd可见，共模抑制能力的提高，取决于器件A1、A2本身的共摸抑制比是否相等，并且受外回路电阻的匹配精度的影响。前者易实现，故放大电路的CMRR取决于电阻的匹配精度。缓冲级与差动放大器构成的前置级)(21321321CMRRCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRAACMRRcd提高放大电路的共模抑制能力的措施仍然是使A1、A2的共模抑制比相等，并尽可能提高差动级的电阻匹配精度。（三）由专用仪器放大器构成的前置放大器AD620为一个低成本、低功耗、高精度的单片仪器放大器。AD620的性能比传统的三运算放大器优越。特点：1.只用一个外部电阻就能设置放大倍数为1～1000；2.电源范围宽(±2.3～±18V)；3.体积小；4.功耗非常低(最大供电电流仅1.3mA)；适用于低电压、低功耗的应用场合。AD620外形图AD620内部原理图为保证增益控制的高精度，输入端三极管用差分双极输入；用超β工艺获得更低的输入偏置电流；通过输入级内部Q1-A1-R1和Q2-A2-R2反馈环路,保持输入三极管的集电极电流恒定，所以输入电压相当于加到外部增益控制电阻RG两端上；两个内部增益电阻R1、R2精确定为24.7kΩ。增益：外部控制电阻值为：WFdRRA'121由主要技术参数：1.输入阻抗（inputimpedance）；2.共模抑制比（commonmoderejectionratio，CMRR）；3.偏置电流(biascurrent)；4.输入失调电压(inputoffsetvoltage)；5.输入噪声（inputnoise）。（1）输入阻抗室温25℃时的差模输入阻抗。动态情况下，两个输入端间有并联的电容值。该参数为10GΩ//2PF。（2）共模抑制比（CMRR）通常取平均值，温度变化有差异。通常指低频条件。若频率增高，CMRR值有所减小。在放大增益不同，CMRR值也不同。（3）偏置电流（biascurrent）两输入端到地有一个小的偏置电流（直流），AD620该参数为0.5nA，最大为2nA。（4）输入失调电压（inputoffsetvoltage）一般两个输入端电压差为零（两输入端短接地）时，其输出都不为零。如果在任意一个输入端加上一个大小和方向合适的直流电压，便可人为地使输出为零，这个外加的直流电压即运放的失调电压。AD620的最大值可达125μV。（5）输入噪声输入噪声分电压噪声和电流噪声。低频范围（生理信号）的1/f噪声，会引起运放工作点漂移；电阻、半导体结间噪声受温度、频率影响。频率1kHz时输入电压噪声为9；0.1～10Hz频段输入电流噪声为10PAp－pHznV（四）AD620构成的常用生理参数前置放大电路常用于传感器接口、心电图监测仪、精密电压电流转换1.压力传感器电路高电阻值,低电源电、体积小、低功耗压力传感器电路压力检测电路3kΩ、+5V供电的压力传感器电桥；电桥功耗仅1.7mA,AD620和AD705缓冲电压驱动器对信号调节,使总供电电流仅为3.8mA；电路产生的噪声和漂移极低。四、前置级共模抑制能力的提高方法：1.正确设计电路参数；2.改进电路。（一）屏蔽驱动ECG导联引线芯线和电缆屏蔽层（接地时），对放大器输入端的分布电容为C1，C2。C1，C2不等，电极阻抗RS不平衡，则Rs1C1Rs2C2,使共模电压不等量衰减，放大器CMRR下降。问题：输入端的共模电压产生共模误差输出。解决思路：使屏蔽层电容不起衰减作用。办法：导联线的屏蔽层不接地，接到与共模输入信号等电位点上，共模电压不衰减地送到差动放大器输入端，不会产生共模量不等量衰减形成共模误差。)21(idicUU)21(idicUU（1）取放大电路的共模电压驱动屏蔽层，使分布电容C1、C2的端电压保持不变。（2）A1、A2构成缓冲级，其输出分别为：电阻网络R-R接A1、A2的输出端，在网络的中点取出A1、A2输出电压的平均值Uic，经缓冲放大器A3驱动屏蔽层，消除由C1、C2引起的不均衡衰减。、屏蔽驱动电路实际应用电路(三)右腿驱动技术右腿不直接接地，接到A3的输出。从两Ra结点取共模电压，经A3放大后通过R0电阻反馈到右腿。人体的位移电流这时不再流入地，而是流向R0和A3的输出。当病人和地之间出现很高电压时，A3饱和，右腿驱动电路不起作用，A3等效于接地，R0起限流保护，安全保护。cmaFoVRRV2odcmVRoIVaFdcmRRIRV210A3不饱和时的共模电压。反相端输入为：mVKAVcm5.25.12102.06讨论：（1）要小，可增大2RF/Ra（2）Vcm大时，R0必须起保护作用，其值较大。故A3要求能在微电流下工作，则RF可选较大值。例：如果选RF=R0＝5MΩ，Ra典型值为25kΩ，则等效电阻为12.5kΩ。若位移电流=0.2μA，则：dI由AD620构成的实际心电监测电路第二节隔离级设计为了人体安全的目的，通常生物电信号测量技术采用浮地形式，以便实现人体与电气上