医用电子仪器3

第三章：信号放大各种生物信号都属于低频的微弱自然信号，为了对生物信号进行各种处理、记录、显示，必须首先把信号放大到所要求的强度。各种生物电放大器的结构、性能等都成为生物医学电子学中的主要研究内容。放大器的核心是前置放大，所以前置级的设计是本章的重点。•1、掌握基本差动放大器和同向并联结构放大器的电路分析方法*•2、掌握光电隔离电路的分析方法*•3、掌握基本滤波器电路的分析方法一基本要求–高输入阻抗–高共模抑制比–低噪声、低漂移–设置保护电路§1生物电放大器前置级原理电极与人体接触的阻抗与电极安放位置、电极本身物理状况有关信号源，电极与人体接触阻抗是信号频率的函数电极阻抗与电流密度大小有关电极阻抗和皮肤压力有关，和导电膏离子浓度有关如果放大器输入阻抗不够高（与源阻抗相比），就会造成信号低频分量的幅度减少，产生低频失真。信号源阻抗与生理状况有关（一）高输入阻抗1111111111LsTLsssTsRRRRCRjRRZ2222222221LsTLsssTsRRRRCRjRRZUs---生物信号电压；RT1，RT2---人体电阻，数十欧姆至数百欧姆；RS1，RS2---电极与皮肤接触电阻，数千欧姆至150K，与皮肤的干湿，清洁程度以及皮肤角质层的厚薄有关；CS1，CS2---电极与皮肤之间的分布电容，数皮法至数十皮法；C1，C2---信号线对地电容，长1m的电缆线约数十皮法;RL1，RL2---信号线和放大器输入保护电阻，通常小于30K；Ri---放大器输入电阻；dissisoAZZZZUU2221设放大器的差模增益为Ad，输出电压为UO。sssZZZ21isZZisiddZZZAA'如果Zs的值从2变化到150KΩ时，在Zi＝1MΩ时，由公式得到A’d的不稳定波动为12.8%；而在Zi＝5MΩ时，A’d的不稳定波动下降为2.8%。放大器对生物信号的电压增益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几种体表电位测量时输入阻抗指标（二）高共模抑制比为了抑制人体所携带的工频干扰及所测量的参数外的其他生理作用的干扰，须选用差动放大形式。因此，CMRR值是放大器的主要指标。值得注意的是：放大器的实际共模抑制抑制能力受到放大器前边电极系统的影响。通过两个电极提取生物电位时，等效源阻抗一般：Zs1，Zs2不完全相等。Zs1与Zs2的数值大小主要与下列因素有关：1.人体汗腺分泌情况；2.皮肤清洁情况有关；3.电极、皮肤接触电阻；4.电极本身物理状态。输入阻抗与共模抑制比高CMRR高Ri？设Ucm为共模干扰电压，则放大器输入端A、B两点的电压分别为：1ACMsZiUUZiZ2BCMsZiUUZiZ则共模电压转化为差模电压UA-UB1211()ABCMssUUUZiZiZZiZ通常ZiZs1（Zs2），所以：21ssABCMiZZUUUZ低频生物电信号特点：1、幅值低（微弱信号），仅在微伏，毫伏级；2、高阻抗源，本身带来相当高的热噪声（输入信号质量差）；3、具有十分低的频率成分。设计要求：1、低噪声前置放大级：（1）正确设计放大器的增益分配，在前置级的噪声系数较小时，可以获得良好的低噪声性能。（2）采用严格的装配工艺，对前置级电路加以特殊保护。2、低漂移设计：采用差动输入电路形式，利用电路的对称结构并对元器件参数进行严格挑选，来有效地抑制放大器的温度变化造成的零点漂移。3、改善直流放大器的低漂移性能：用调制式直流放大器把直流信号转变成交流信号，来放大微伏量级的直流信号。4、复零信号设置：在前置级设置复零信号，以保持测量连续进行。（三）低噪声低漂移（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器的分析方法•分析参数–共模抑制能力–输入阻抗是否可以用一个基本的集成运算放大器（即一个基本的差动放大器）来构成生物电放大器的前置级？方法：从一个简单的基本差动放大电路的共模抑制能力，输入阻抗的分析入手，研究差动放大电路共模抑制比的诸影响因素，以及如何提高放大电路的输入阻抗。RFR1R2R3-+-+-+uid/2uid/2uouic+-ui1ui21.共模抑制比（CMRR）线性集成器件构成的差动放大电路。两输入端信号ui1和ui2由共模电压uic和差模信号uid组成，其中：11232311iFiFouRRuRRRRRu2111323113231idFFicFFuRRRRRRRuRRRRRRRodocuu321,RRRRF满足无共模输出平衡对称要求得出：FRRRR321;:回路电阻匹配条件1:RRuUoAFidd差模增益cdAACMRR:共模抑制比以上为理想情况下所得,实际中外回路不可能达到完全的对称平衡.共模抑制比（CMRR）定义由外电路电阻匹配精度所限定的放大器的共模抑制比为CMRRR，所用的集成器件本身的共模抑制比为CMRRD，则整个放大器的共模抑制比CMRR将取决于CMRRR和CMRRD。设各电阻的匹配误差分别为：333(1)RRA.电阻失配共模抑制比CMRRR：1323111RRRRRRRuuAFFicocc1411cdAA411dcdRAAACMRR由外电路电阻匹配精度限定的放大器的共模抑制比为：由公式可知，放大器的共模增益为：共模增益简化为：共模增益A’c为共模输出电压与共模输入电压的比：B.器件本身的共模抑制比CMRRD：为了研究器件本身的共模抑制比为CMRRD对整个放大器的CMRR的影响，须首先推导由于CMRRD的存在所产生的共模输出电压。由共模抑制比的定义：CMRRD为放大器开环差动增益A’d与共模增益A’c之比：''dDcACMRRA''UocAcUic由于CMRRD不为无穷大，引起共模输出电压''cdDAACMRRicoccuuA''共模输出电压uoc’折合到放大器输入端得共模误差电压'''docicAuuDicicCMRRuu'共模输入电压因为转化成差模电压而形成共模干扰电压。所以，共模输出Uoc实际是由CMRRD有限而产生的共模误差电压，折合到输入端，相当于一差模电压U‘ic，它与差动信号一起被放大Ad倍。dDiciccocACMRRuuAu1dDcicoccACMRRAuuA11由上面的分析可知，由外回路电阻失配和器件本身的CMRRD有限，在放大电路输出端产生的共模误差电压总共为：则总共模增益为：整个放大电路总的总共模抑制比CMRR为：dDRcDRACMRRCMRRCMRRACMRRCMRR1由电阻失配所造成的CMRRR411dcdRAAACMRR影响差动放大器共模抑制能力的因素2器件本身共模抑制比CMRRDDicicCMRRuu'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？结论•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•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•差动放大器的输入阻抗Ri=2R1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三差动放大应用电路基本差动放大电路输入电阻不够高的根本原因为：差动输入电压是从同相端和反向端同时加入的。解决方法（提高生物电放大器前置级的输入阻抗）：方案一：是把差动输入信号都从同相侧送入，采用同相并联结构。方案二：是在差动放大电路前面增加一级缓冲级（同相电压跟随器），实现阻抗变换。（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第一级放大电路输出电压：12'12'21iiWFooouuRRuuuWFdRRA'121输出电压无共模成分，无需外电路电阻有任何匹配A1，A2组成同相并联输入第一级放大，以提高放大器输入阻抗。A3为差动放大作为放大器第二级。这种并联结构的电路，能方便的实现增益的调节。第一级电路具有完全对称形式，这种对称结构有利于克服失调、漂移的影响。当A1，A2共模抑制比为有限值时，在第一级存在共模误差电压输出：112dicicocACMRRuCMRRuu112111dicoccACMRRCMRRuuA2121111211211CMRRCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRAACMRRcd由此可见，第一级放大电路的共模抑制能力取决于运放器件A1，A2本身的共模抑制比的差异。为了使第一级放大电路获得高共模抑制比，A1，A2器件本身的CMRR1和CMRR2数值是否高并不重要，重要的是他们的对称性。仅仅用A1，A2构成前置级是不足的，如果不考虑这一级共模电压的转化，A1，A2的输出端就存在于输入端相同的共模电压。这样，共模电压在输出端占用了一定的工作范围，致使差动信号的有效工作范围减小。为了切断共模电压在电路中的传递，最简单有效的方法是在A1，A2并联电路的后面接入一级差动放大。两级放大器差动增益1'2121RRRRAAAFWFddd两级放大器共模抑制比由两级共模误差决定2312dicdicocACMRRuACMRRuu1312111ddicoccACMRRCMRRAuuA12313121CMRRCMRRACMRRCMRRAAACMRRddcd当严格挑选A1,A2放大器共模抑制比3112CMRRACMRRd31CMRRACMRRd放大器共模抑制比主要取决于第一级的差动增益和第二级的共模抑制能力。结论•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•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•总的共模抑制比：A3运放器件的共模抑制比；差动放大级的闭环增益；RF,R1电阻的匹配精度；同相并联的第一级差动增益。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题•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前置级的设计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100dB）。2第二级放大器电阻应该精确匹配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，先确定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。＋－＋－RF2R2RF1R1A2A1ui2ui1uo（二）同相串联结构的前置放大电路与同相并联差动放大电路