生物医学常用放大器

第三章 生物医学常用放大器,从人体获得的生物医学信号，再经过滤波、放大、显示等一系列处理过程，才能为医学研究和临床诊断提供可靠的客观依据。 本章在前面放大电路基本原理的基础上，首先介绍生物电信号特点、频谱及常用的几种滤波电路，然后重点讨论负反馈放大器、直流放大器的工作原理及特点，最后简述功率放大器。,基本内容： 1、生物医学信号的特点及其频谱 2、负反馈放大器 3、直流放大器 4、功率放大器,第一节 生物医学信号的特点及频谱,非生物电信号：是由于人体各种非电活动产生的信号，如心音、血压波、呼吸、体温等。,生物信号：携带生物信息的信号。,生物电信号：是由于人体内各种神经细胞自发地或在各种刺激下产生和传递的电脉冲，肌肉在进行机械活动时也伴有电活动所产生的信号，如心电、脑电、肌电等。,医学中还常通过在人体上施加一些物理因素的方法来获得生物信号，如各种阻抗图，它以数十千赫交流电通过人体的一定部位，获得阻抗或导纳变化的波形图；又如超声波诊断仪器，它向人体发射脉冲式的超声波，通过回波方式获得的生物信号。另外还有通过在体外检测人体样品的仪器、生理参数遥测仪器和放射性探测仪器等获取的生物信号。辅助产生,一、生物医学信号的特点,1、频带范围 DC- 几KHZ 直流放大器频率低频带宽 （放大低频信号）,一、生物医学信号的特点,2、信号弱（幅度低） 高放大倍数、低噪声 VmV,3、内阻大 输入级高输入阻抗 M级,4、信噪比低噪声（干扰）来源：生物体内部、空间电磁干扰、放大器、电源。,一、生物医学信号的特点,二、生物医学放大器的基本要求,1、高放大倍数,2、高输入阻抗,3、高共模抑制比,4、低噪声,5、低漂移,6、适当的频响,第三章 生物医学常用放大器,第二节 负反馈放大器,一、反馈的概念,凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为反馈。,若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈。若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈。,这里所说的信号一般是指交流信号，所以判断正负反馈，就要判断反馈信号与输入信号的相位关系，同相是正反馈，反相是负反馈。,取+ 加强输入信号 正反馈 用于振荡器,取 - 削弱输入信号 负反馈 用于放大器,负反馈的作用：稳定静态工作点；稳定放大倍数；提高输入电阻；降低输出电阻；扩展通频带。,反馈框图：,二、负反馈的基本类型,（一）电压反馈和电流反馈,1、电压反馈：反馈信号取自输出电压信号。判断：设输出电压为零（输出端短路），反馈信号也为零。2、电流反馈：反馈信号取自输出电流信号。判断：设输出电压为零（输出端短路），反馈信号不为零。,根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。,根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。,1、串联反馈：反馈信号与输入信号串联（反馈电压信号与 输入信号电压比较）,（二）串联反馈和并联反馈,串联反馈使电路的输入电阻增大。,2、并联反馈：反馈信号与输入信号并联，(即反馈信号电 流与输入信号电流比较。),并联反馈使电路的 输入电阻减小。,（三）正、负反馈的判断,采用瞬时极性法判断，具体步骤为：事先假定放大器的输入端对地加一个正的输入信号，然后按照放大器的组态逐极判断出各个相关点的极性，直至输出信号的极性，然后判断反馈信号的极性，确定是正反馈还是负反馈。,（四）四种形式的负反馈放大电路,关于负反馈的方式来看：当反馈信号取自输出电压的时，称电压负反馈；当反馈信号取自输出电流时，称电流负反馈。 从反馈信号与输入信号的连接方式来看：当反馈信号与输入信号是串联在一起控制输入信号电压大小的，称为串联负反馈；与输入信号是并联在一起控制输入信号电流大小的，称为并联负反馈。 归纳起来，负反馈共有四种方式，即电压串联负反馈、电流串联负反馈、电压并联负反馈、电流并联负反馈。,1、电压串联负反馈,+UCC,C1,RB1,RE,RB2,在输入回路中，Re上的反馈电压与加在三极管基极上的输入信号电压是串联关系，相加的结果是基极上输入电压的变化量相应减少，所以是负反馈。,(1) 有无反馈 反馈元件: Re xf = uRe= uo xf =uo 电压反馈(全反馈) (2) 是何种反馈 xi= xi-xf 方法：瞬时极性法 假定某一时刻xi 的极性，找出xf的极性, xi= xi-xf 负反馈 xi= ube xi= ui xf= uRe 设 ui 上+ ib上+ uRe 上+ ， ube= ui- uRe 是负反馈,输入端: xi、xi、xf 在一个回路, 串联反馈 电压串联负反馈（4）稳定uo过程 设 ui 不变 uo uouReube= ui- uRe ib ic,（3）是串联反馈还是并联反馈,uo (),2. 电流串联负反馈,+UCC,RC,C2,C1,RB1,RE,RB2,ube=ui-uf,在输入回路中，Re上的反馈电压与加在三极管基极上的输入信号电压是串联关系，相加的结果是基极上输入电压的变化量相应减少，所以是负反馈。,+UCC,C1,RF,RE,Rc,-,3.电压并联负反馈,ui,Rs,ib,if,ic,A,ii if + ib,if 与ii 是并联关系,4.电流并联负反馈,三、负反馈对放大器性能的影响,开环放大倍数,反馈系数,净输入信号,1.降低放大倍数,闭环放大倍数,放大倍数降低了 倍,1+AF称为反馈深度,2. 提高放大倍数的稳定性,如果反馈深度很深，则有1+AF1,所以：,所以对于深度负反馈，放大倍数的稳定性大大提高。,3. 改善波形失真,加反馈后,改善,注意：只对放大器本身引起的失真有效，对原本就失真的波形无效。,4. 展宽通频带,频带的限制是由于放大器在不同频率上放大倍数发生变化而造成的。而在加入负反馈后，排除了放大倍数与放大器中与频率有关因素的影响。这样可以使负反馈放大器的放大倍数在很宽的频率范围内都与频率无关。放大倍数在很宽的频率范围内是稳定的，所以频带就展宽了。,5. 对输入和输出电阻的影响,(1) 串联负反馈使电路的输入电阻增加：,(2) 并联负反馈使电路的输入电阻减小：,(3) 电压负反馈使电路的输出电阻减小：,(4)电流负反馈使电路的输出电阻增加：,动物血压调节系统,第三章 生物医学常用放大器,第三节 直流放大器,一、直流放大器需要解决的两个问题：, 各级间的耦合问题：, 零点漂移的问题：,增加R2 、RE2 : 用于设置合适的Q点。,问题 1 :前后级Q点相互影响。,直接耦合电路的特殊问题,问题 2 :零点漂移。,前一级的零漂将作为后一级的输入信号，使得当 ui 等于零时， uo不等于零。,有时会将信号淹没,二、差分放大器 (differential amplifier),1. 预备知识,差模信号（differential-mode signal）: 两个信号的大小相等、极性相反。 （有用信号）,共模信号(common-mode input signal)：两个信号的大小相等、极性相同。（噪声和干扰信号）。,2. 电路结构,T1和T2参数相同，具有相同的温度特性和静态工作点，电路具有对称的结构。具有两个输入端和两个输出端。成为双端输入双端输出差分放大器。,3.抑制零漂的原理,uo= UC1 - UC2 = 0,uo= (UC1 + uC1 ) - (UC2 + uC2 ) = 0,当 ui1 = ui2 =0 时：,当温度变化时：,4.差分放大器对信号的放大作用,（1）共模信号输入,uo= uC1 - uC2 0,ui1 = ui2,在实际电路中共模信号就是干扰或者是不需要的信号.理想情况下，两路的共模信号电压相同，经过取差，输出电压为零，即没有输出。在实际电路中，两个电路很难完全对称，两路集电极输出电压不同，故还是有一些输出uoc，此时放大倍数表达式为：,AC为差分放大器的共模电压放大倍数，uC为共模输入电压，可见共模放大倍数愈小愈好。,（2）差模信号输入,ui1 = - ui2,uo= uC1 - uC2 不为零,当输入端上加一信号电压uid时，T1管和T2管的基极上分别加上ui1=uid/2和ui2=-uid/2，输入电压大小相等相位相反，称差模输入(differential input)。由于两管参数完全对称，两管对输入信号具有同样放大作用，T1、T2管输出电压分别为：,从两个集电极间输出电压为：因为差动放大器的放大倍数Ad定义为uoduid，故可得 式中RC、rbe、可为电路任一侧参数，差模输入信号是所要放大的有用信号，因此差模放大倍数愈大愈好。,RE对差模信号无电流负反馈作用，只对共模信号有电流负反馈作用，如当温度变化引起一系列反馈过程如下：,三、改进型的差分放大器,1、具有射极公共电阻的差动放大器,由于RE在电路中起到了电流负反馈的作用，所以RE的阻值越大越好，但是过大的RE使得放大器的静态工作点降低，所以外接负电源EE的作用是补偿RE两端的直流压降，使电路获得合适的静态工作点。,（1）直流分析（电路对称）,Rp为调零电位器，来调节电路不对称带来的影响。但是Rp的阻值很小，分析静态工作点时可以略去。,b. 静态工作点 UBE1= 0.7V I1IB1 I1 I2 EC/(RB1+ RB2) UB=RB1 I1= RB1 EC/(RB1+ RB2) IE1 (EE+ UB)/2RE IB1= IE / (1+1) IC1=1IB1 UCE1= (EC+EE)- Ic1RC1 - 2IE1RE1,a. 直流通路 ui1=0 ui2=0,c. 交流分析,ibui1/RB1+(RB2/rbe)- ui1(RB2/rbe)/RB1+(RB2/rbe) RB2,Ad1=uo1/ui1= -ib1Rc/ib1RB1+(RB2/rbe) -Rc/ RB1+(RB2/rbe),同理,Ad2= Ad1,双端输出电压为,uo= uo1-uo2=Ad1 ui1- Ad2ui2=Ad1 ( ui1- ui2),双端输入双端输出差分放大器的差模电压放大倍数为,Ad=uo/ui= Ad1 Ad2,双端输入电阻,ri2RB1+(RB2/rbe),双端输出电阻,ro2RC,共模抑制比（common mode ratio，KCMRR ）,KCMRRAd/Ac,共模抑制比越大说明电路抑制零漂的性能越好。如果电路完