3生物医学常用放大器详解

1、变换器变换器电子技术处理电子技术处理显示显示记录记录一般诊断装置的原理框图一般诊断装置的原理框图机体参数机体参数基本内容：基本内容： 1、生物医学信号的特点及其频谱、生物医学信号的特点及其频谱 2、负反馈放大器、负反馈放大器 3、直流放大器、直流放大器 4、功率放大器、功率放大器一、生物医学信号的特点一、生物医学信号的特点1、频带范围、频带范围 DC- 几几KHZ 直流放大器直流放大器频率低频带宽频率低频带宽 （放大低频信号）（放大低频信号）一、生物医学信号的特点一、生物医学信号的特点二、生物医学放大器的基本要求二、生物医学放大器的基本要求1、高放大倍数、高放大倍数2、高输入阻抗、高输入阻抗3

2、、高共模抑制比、高共模抑制比4、低噪声、低噪声5、低漂移、低漂移6、适当的频响、适当的频响一、反馈的概念一、反馈的概念 凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）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，的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为就称为反馈反馈。若引回的信号若引回的信号削弱削弱了输入信号，就称为了输入信号，就称为负反馈负反馈。若引回的信号若引回的信号增强增强了输入信号，就称为了输入信号，就称为正反馈正反馈。这里所说的信号一般是指交流信号，所以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判断正负反馈，

3、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。的相位关系，同相是正反馈，反相是负反馈。取取+ + 加强输入信号加强输入信号 正反馈正反馈 用于振荡器用于振荡器取取 - - 削弱输入信号削弱输入信号 负反馈负反馈 用于放大器用于放大器负反馈的作用：负反馈的作用：稳定静态工作点；稳定放大倍数；提稳定静态工作点；稳定放大倍数；提高输入电阻；降低输出电阻；扩展通频带。高输入电阻；降低输出电阻；扩展通频带。反馈框图：反馈框图：放大器放大器A输出输出Xo开环开环闭环闭环反馈网络反馈网络F叠加叠加反馈反馈信号信号实际被放大信号实际被放大信号输入输入XiXdXf二、负反馈的基本类型二、负反

4、馈的基本类型（一）电压反馈和电流反馈（一）电压反馈和电流反馈1、电压反馈电压反馈：反馈信号取自输出电压信号：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。判断：设输出电压为零（输出端短路），反馈信号也为零。2、电流反馈电流反馈：反馈信号取自输出电流信号。：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。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。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根据反馈信号在输入端与输入信号

5、比较形式的不同，可以分为同，可以分为串联反馈串联反馈和和并联反馈并联反馈。1、串联反馈串联反馈：反馈信号与输入信号串联反馈信号与输入信号串联（反馈电压信号与反馈电压信号与 输入信号电压比较输入信号电压比较）（二）串联反馈和并联反馈（二）串联反馈和并联反馈ufuiubeube=ui-uf串联反馈使电路的串联反馈使电路的输入电阻增大。输入电阻增大。iifibib=i-if2、并联反馈并联反馈：反馈信号与输入信号并联，：反馈信号与输入信号并联，(即反馈信号电即反馈信号电 流与输入信号电流比较。流与输入信号电流比较。)并联反馈使电路的并联反馈使电路的 输入电阻减小。输入电阻减小。（三）正、负反馈的判断

6、（三）正、负反馈的判断 采用瞬时极性法判断，具体步骤为：事先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，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。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（四）四种形式的负反馈放大电路1、电压串联负反馈、电压串联负反馈+UCCC1RB1REC2RB2ubeufui 在输入回路中，在输入回路中，Re上的反馈电压与

7、上的反馈电压与加在三极管基极上加在三极管基极上的输入信号电压是的输入信号电压是串联关系，相加的串联关系，相加的结果是基极上输入结果是基极上输入电压的变化量相应电压的变化量相应减少，所以是负反减少，所以是负反馈。馈。 C1RbC2+ECuiuoReRL2. 电流串联负反馈电流串联负反馈+UCCRCC2C1RB1RERB2ubeufuiube=ui-uf 在输入回路中，在输入回路中，Re上的反馈电压与加上的反馈电压与加在三极管基极上的输在三极管基极上的输入信号电压是串联关入信号电压是串联关系，相加的结果是基系，相加的结果是基极上输入电压的变化极上输入电压的变化量相应减少，所以是量相应减少，所以是负

8、反馈。负反馈。 +UCCC1RFREC2Rc-3.电压并联负反馈电压并联负反馈uiRsibificAii if + ib if 与与ii 是并联关系是并联关系 4.电流并联负反馈电流并联负反馈三、负反馈对放大器性能的影响三、负反馈对放大器性能的影响基本放大基本放大电路电路A反馈回电反馈回电路路F +uoufuiuidoXXA.开环放大倍数开环放大倍数ofXXF.反馈系数反馈系数fidXXX.净输入信号净输入信号1.降低放大倍数降低放大倍数iofXXA.闭环放大倍数闭环放大倍数fdofXXXA.ofodXXXX.1FA11AFA1放大倍数降低了放大倍数降低了 倍倍AF111+AF称为反馈深度称为

9、反馈深度2. 提高放大倍数的稳定性提高放大倍数的稳定性AFAAf1如果反馈深度很深，则有如果反馈深度很深，则有1+AF1,所以：所以：FAFAAFAAf11所以对于深度负反馈，放大倍数的稳定性大大提高。所以对于深度负反馈，放大倍数的稳定性大大提高。3. 改善波形失真改善波形失真Auiuo加反馈前加反馈前加反馈后加反馈后ufuiAF+ 改善改善uoiu注意：只对放大器本身引起的失真有效，对原本就失注意：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。真的波形无效。4. 展宽通频带展宽通频带5. 对输入和输出电阻的影响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：串联负反馈使

10、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：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：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：电流负反馈使电路的输出电阻增加：xo血压血压压力感受器压力感受器调节机构调节机构xi 输入输入xi xf 颈动脉窦颈动脉窦一、直流放大器需要解决的两个问题：一、直流放大器需要解决的两个问题： 各级间的耦合问题：各级间的耦合问题： 零点漂移的问题：零点漂移的问题： 增加增加R2 、RE2 : 用于设置合适的用于设置合适的Q点。点。问题问题 1 :前后级前后级Q点相互影响。点相互影响。+UCCuoR

11、C2T2uiRC1R1T1R2RE2直接耦合电路的特殊问题直接耦合电路的特殊问题问题问题 2 :零点漂移。零点漂移。前一级的零漂将作为后一级的输入信号，使得前一级的零漂将作为后一级的输入信号，使得当当 ui 等于零时，等于零时， uo不等于零。不等于零。uot0有时会将有时会将信号淹没信号淹没+UCCuoRC2T2uiRC1R1T1R2RE2二、差分放大器二、差分放大器 (differential amplifier)1. 预备知识预备知识ui1ui2放大电路放大电路uo差模信号（差模信号（differential-mode signal）: 两个信号的两个信号的大小相等、极性相反。大小相等、

12、极性相反。 （有用信号）（有用信号）共模信号共模信号(common-mode input signal)：两个信号的两个信号的大小相等、极性相同。（噪声和干扰信号）。大小相等、极性相同。（噪声和干扰信号）。2. 电路结构电路结构 T1和和T2参数相同，具有相同的温度特性和静态工参数相同，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。成为输出端。成为双端输入双端输入双端输出双端输出差分放大器。差分放大器。 3.抑制零漂的原理抑制零漂的原理uo= UC1 - UC2 = 0uo= (UC1 + uC1 ) - (UC2

13、 + uC2 ) = 0当当 ui1 = ui2 =0 时：时：当温度变化时：当温度变化时： 4.差分放大器对信号的放大作用差分放大器对信号的放大作用（1）共模信号输入）共模信号输入uo= uC1 - uC2 0ui1 = ui2 cocCuuA （2）差模信号输入）差模信号输入ui1 = - ui2 uo= uC1 - uC2 不为零不为零 ) )2(idbeCnurRu ) )2(idbeCmurRu mnmnidbeCnmodurRuuu beCdrRA 由于由于RE在电路中起到了电流负反馈的作用，所以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，但是过大的的阻值越大越好，但是

14、过大的RE使得放大器的静态工使得放大器的静态工作点降低，所以外接负电源作点降低，所以外接负电源EE的作用是补偿的作用是补偿RE两端的直两端的直流压降，使电路获得合适的静态工作点。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）直流分析（电路对称）Rp Rp为调零电位器，来调节电路不对称带来的影响。为调零电位器，来调节电路不对称带来的影响。但是但是Rp的阻值很小，分析静态工作点时可以略去。的阻值很小，分析静态工作点时可以略去。a. 直流通路直流通路 ui1=0 ui2=0 +ECRB2RC1RB1I1I2IB1T1EEREc. 交流分析交流分析RB2RCui1uo1RB1ibui1

15、/RB1+(RB2/rbe)- ui1(RB2/rbe)/RB1+(RB2/rbe) RB2Ad1=uo1/ui1= -RB1+(RB2/rbe)-RB1+(RB2/rbe)同理同理Ad2= Ad1双端输出电压为双端输出电压为uo= uo1-uo2=Ad1 ui1- Ad2ui2=Ad1 ( ui1- ui2)双端输入双端输入双端输出差分放大器的差模电压放大倍数为双端输出差分放大器的差模电压放大倍数为Ad=uo/ui= Ad1 Ad2双端输入电阻双端输入电阻ri2RB1+(RB2/rbe)双端输出电阻双端输出电阻ro2RC共模抑制比（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。如果电路完全对称好。如果电路完全对称Ac0， KCMRR。分贝分贝dB(decibel) 表示表示 KCMRR = 20lg Ad/Ac (dB) 例例: 如果如果 KCMRR= 1000 KCMRR= 20lg1000=60dB 带恒流源的差动放大器带恒流源的差动放大器 +ECuoRC1RB1T1RS1RC2RB2T2RS2ui1ui2RER3EE