第二章信号测量的基本条件-6

1、生物医学电子学生物医学电子学生物医学电子学第二章第二章 信号测量的基本条件信号测量的基本条件 Biomedical Electronics第一节第一节 人体测量的电磁干扰人体测量的电磁干扰第二节第二节 测试系统的噪声测试系统的噪声 第三节第三节 低噪声放大器设计低噪声放大器设计 1生物医学电子学 为了使放大器具有良好的低噪声特性，除了严格选择组为了使放大器具有良好的低噪声特性，除了严格选择组成放大器的各有源、无源器件，还需按照成放大器的各有源、无源器件，还需按照低噪声设计方法低噪声设计方法进行设计，才能充分发挥优良低噪声器件的应有作用进行设计，才能充分发挥优良低噪声器件的应有作用，特，特别是前

2、置放大器的结构设计。换言之，如果选用了昂贵的别是前置放大器的结构设计。换言之，如果选用了昂贵的低噪声器件，而设计不尽合理，则仍然不能获得低噪声性低噪声器件，而设计不尽合理，则仍然不能获得低噪声性能的放大器。能的放大器。 与普通放大器设计相比，低噪声放大器的与普通放大器设计相比，低噪声放大器的设计特点是以设计特点是以低噪声为关键指标进行分析、计算和设计电路低噪声为关键指标进行分析、计算和设计电路，放大器的，放大器的增益、频率响应等非噪声质量的招标，则可以在满足噪声增益、频率响应等非噪声质量的招标，则可以在满足噪声要求的基础上进行调整。要求的基础上进行调整。第三节第三节 低噪声放大器设计低噪声放大

3、器设计2生物医学电子学1 1、根据噪声要求、源阻抗特性、根据噪声要求、源阻抗特性确定输入级电路确定输入级电路( (包包括输入耦合网络括输入耦合网络) )。设计内容包括选择电路结构形。设计内容包括选择电路结构形式，选用器件、确定低噪声工作点和进行噪声匹配式，选用器件、确定低噪声工作点和进行噪声匹配等工作。等工作。2 2、根据放大器要求的总增益、频率响应、动态范、根据放大器要求的总增益、频率响应、动态范围、围、 稳定性等指标稳定性等指标设计后继电路设计后继电路，决定放大级数，决定放大级数及电路结构等，这些设计与一般多级放大器的设计及电路结构等，这些设计与一般多级放大器的设计原则相同，但应注意使后继

4、电路原则相同，但应注意使后继电路不破坏总的噪声性不破坏总的噪声性能能。低噪声放大器设计的一般程序低噪声放大器设计的一般程序3生物医学电子学 放大器噪声性能的优劣不能单用它输出的噪声功率来衡量，放大器噪声性能的优劣不能单用它输出的噪声功率来衡量，噪声的有害影响是相对于信号的。为了得到最大的输出信噪噪声的有害影响是相对于信号的。为了得到最大的输出信噪比比( (SoSoNoNo) )，由下式可知，由下式可知，2.3.1 2.3.1 噪声性能指标噪声性能指标 低噪声设计的目的是指把总输入噪声减小到最低程度低噪声设计的目的是指把总输入噪声减小到最低程度。实。实际应用中，系统噪声在所要求的噪声指标范围即可

5、。际应用中，系统噪声在所要求的噪声指标范围即可。 为了统一，用为了统一，用输入端对地短路时放大器的固有噪声输入端对地短路时放大器的固有噪声U Uin in作为作为放大器的噪声性能指标放大器的噪声性能指标。22/insooUUNS4生物医学电子学各种生理信号测量用放大器在相应带宽下的噪声指标各种生理信号测量用放大器在相应带宽下的噪声指标(U(Uin in值值) ) 体表心电图体表心电图 10V (0 10V (0 250Hz) 250Hz) 体表希氏束电图体表希氏束电图 0.5 V (80 0.5 V (80 3000Hz) 3000Hz) 头皮电极脑电图头皮电极脑电图 1 V (0 1 V (

6、0 100Hz) 100Hz) 针电极肌电图针电极肌电图 1 V (2 1 V (2 l0000Hz) l0000Hz) 脑诱发电位脑诱发电位 0.7 V (0 0.7 V (0 10kHz) 10kHz) 眼电生理信号眼电生理信号 0.5 V (0 0.5 V (0 1kHz) 1kHz)在各种描述放大器的噪声参数中，以在各种描述放大器的噪声参数中，以U Uin in作为设计依据是合理作为设计依据是合理的，在低噪声设计中应认真遵循以下的几个环节。的，在低噪声设计中应认真遵循以下的几个环节。 5生物医学电子学调整调整RsRs或使或使RsoRso在已知的在已知的RsRs附近，称之为附近，称之为噪

7、声匹配噪声匹配。通过各种传感器提取生物信号时，传感器与前置放大器直通过各种传感器提取生物信号时，传感器与前置放大器直接连接，不能加入电阻来满足匹配条件（会增加输入噪接连接，不能加入电阻来满足匹配条件（会增加输入噪声）。由于传感器的阻抗不同，为了实现噪声匹配，应选声）。由于传感器的阻抗不同，为了实现噪声匹配，应选择适当的有源器件作为前置放大器的输入级。择适当的有源器件作为前置放大器的输入级。2.3.2 2.3.2 有源器件选择原则有源器件选择原则由总等效输入噪声对信号源内阻由总等效输入噪声对信号源内阻的关系可知，源电阻等于最佳源的关系可知，源电阻等于最佳源电阻电阻RsoRso时，噪声系数最小，时

8、，噪声系数最小， Rs Rs = Rso = Rso 是理想的低噪声设计方案是理想的低噪声设计方案。6生物医学电子学1 1、源电阻很小时，输入级须通过、源电阻很小时，输入级须通过变压器耦合变压器耦合达到低源电阻的达到低源电阻的噪声匹配；噪声匹配；2 2、在几十欧、在几十欧-1-1兆欧范围，应选择兆欧范围，应选择晶体管晶体管作为输入级，作为输入级，PNPPNP管管的基区电阻较小，适用于源电阻小的场合；的基区电阻较小，适用于源电阻小的场合；NPNNPN管在源电阻管在源电阻稍大时更为合适；稍大时更为合适；下图给出一个选择输入级有源器件的一般指南下图给出一个选择输入级有源器件的一般指南7生物医学电子学

9、3 3、源电阻更高时，、源电阻更高时，结型场效应管结型场效应管是理想的输入级器件。绝缘是理想的输入级器件。绝缘栅场效应管栅场效应管InIn值极小，高内阻源时有突出的优点，但它的值极小，高内阻源时有突出的优点，但它的1 1f f 噪声比结型场效应管至少高一个数量级，不适于作为低噪声噪声比结型场效应管至少高一个数量级，不适于作为低噪声要求的前置级器件；要求的前置级器件；4 4、集成运算放大器集成运算放大器的噪声虽然相对较高，但体积小，价格便的噪声虽然相对较高，但体积小，价格便宜，电路设计简单，容易实现高共模抑制比，如果严格挑选宜，电路设计简单，容易实现高共模抑制比，如果严格挑选UnUn、InIn参

10、数，也是较理想的输入级器件。参数，也是较理想的输入级器件。 8生物医学电子学 有源器件选好后，调整工作点参数使有源器件选好后，调整工作点参数使 U Un n /I/In n= R= Rso =so =R Rs s ，实实现噪声匹配。现噪声匹配。 在噪声匹配的情况下，调整参数使在噪声匹配的情况下，调整参数使U Un n 、I In n参数同幅减少，参数同幅减少，可以使最小噪声系数进一步下降，低噪声放大器设计的一个可以使最小噪声系数进一步下降，低噪声放大器设计的一个重要文物问题就是如何在保证噪声匹配的条件下，取得尽量重要文物问题就是如何在保证噪声匹配的条件下，取得尽量小的噪声系数。小的噪声系数。

11、最佳工作电流、最小噪声系数9生物医学电子学下图为一个多级放大电路的一般框图。每一级的噪声用下图为一个多级放大电路的一般框图。每一级的噪声用U Uni ni、I Ini ni 表示，增益用表示，增益用A Ai i 表示，放大系统的反馈传递函数用表示，放大系统的反馈传递函数用 表示。表示。 2.3.3 2.3.3 放大电路的低噪声设计放大电路的低噪声设计 多级放大系统中第一级的噪声是主要的，但后面各级也都噪声。在进行多级放大系统中第一级的噪声是主要的，但后面各级也都噪声。在进行多级放大系统设计时，必须严格考虑各级的噪声，包括偏置元件的噪声。多级放大系统设计时，必须严格考虑各级的噪声，包括偏置元件的

12、噪声。 负反馈并不改变各级的等效输入噪声，但负反馈网络的电阻要额外贡献负反馈并不改变各级的等效输入噪声，但负反馈网络的电阻要额外贡献热噪声和热噪声和 1 1f f 噪声。噪声。10生物医学电子学第一级的等效输入噪声为第一级的等效输入噪声为 ，其他各级等效，其他各级等效噪声用同样的方法确定，各级的有效源电阻等于前级的输噪声用同样的方法确定，各级的有效源电阻等于前级的输出电阻出电阻R Roi oi。考虑负反馈，算出输出端总噪声。考虑负反馈，算出输出端总噪声U Unono，设放大，设放大系统正向总增益为系统正向总增益为A A，则总等效输入噪声，则总等效输入噪声 221212snnnsRIUU 222

13、1202232321201222222121221AARIUARIURIUUUAAUUnnnnsnnnsninino11生物医学电子学两级放大的低噪声设计原则两级放大的低噪声设计原则：使第二级的等效输：使第二级的等效输入噪声远小于第一级的噪声。入噪声远小于第一级的噪声。 由多级放大电路的噪声等效电路，用网络理论由多级放大电路的噪声等效电路，用网络理论逐步推导，借助于计算机进行噪声分析计算，是逐步推导，借助于计算机进行噪声分析计算，是放大器噪声分析的一般方法。对于复杂的放大系放大器噪声分析的一般方法。对于复杂的放大系统，这种分析方法无疑是十分复杂的。统，这种分析方法无疑是十分复杂的。 实际上，常

14、可以用实验的手段实现对放大系统实际上，常可以用实验的手段实现对放大系统噪声性能的了解。例如为了估算系统内某一点的噪声性能的了解。例如为了估算系统内某一点的噪声源的作用，可以在这一点插入一确定的噪声噪声源的作用，可以在这一点插入一确定的噪声电压（或电流），加重其噪声影响，计算出发生电压（或电流），加重其噪声影响，计算出发生器单独作用时的输出，从而估算出该点的噪声源器单独作用时的输出，从而估算出该点的噪声源的作用。的作用。12生物医学电子学下图为场效应管输入的两级低噪声放大电路及其噪声等效电路下图为场效应管输入的两级低噪声放大电路及其噪声等效电路 注意偏置电路的设计，偏置电阻位于放大器特别灵敏的部

15、位，其热噪声和注意偏置电路的设计，偏置电阻位于放大器特别灵敏的部位，其热噪声和1 1f f 噪声应加以控制。输入级的偏置电阻包括噪声应加以控制。输入级的偏置电阻包括R RA1A1、R RB1B1及及R RS1S1，如果没有旁，如果没有旁路电容，路电容， R RS1S1成为一个显著的噪声源。成为一个显著的噪声源。R RG G连接于连接于R RA1A1、R RB1B1的交点与栅极之间，的交点与栅极之间，C C2 2为旁路电容，提供交流通路，使为旁路电容，提供交流通路，使R RA1A1、R RB1B1噪声电压不能到达放大器输入噪声电压不能到达放大器输入端。贡献噪声的偏置电阻只有端。贡献噪声的偏置电阻

16、只有R RG G，但，但R RG G上的直流电压非常小，使它的上的直流电压非常小，使它的1 1f f噪声明显减小。噪声明显减小。 R RG G与源并联，其热噪声亦被衰减与源并联，其热噪声亦被衰减R RS S / / R RB1 B1 倍。偏置电路的倍。偏置电路的这种设计，称为这种设计，称为无噪声偏置无噪声偏置，通用于所有低噪声放大器设计中。，通用于所有低噪声放大器设计中。 13生物医学电子学当不得不用当不得不用C C1 1实现频带的下限时，对实现频带的下限时，对C C1 1的噪声限制是非常严格的噪声限制是非常严格的，其阻抗的，其阻抗X XClCl应远小于应远小于RsRs。在电路中。在电路中C

17、C1 1与与R RS S相串联，因此噪相串联，因此噪声顶声顶I In nR Rs s变为变为I In nRs -jXRs -jXClCl ，为降低噪声，必须使，为降低噪声，必须使I In nX XClCl I In nRs Rs 如如果依靠果依靠C C1 1，实现低频截止频率，实现低频截止频率， X XClCl必然很大。所以不应该把必然很大。所以不应该把频率下限的限制元件设置在输入级前端，而应设置在输入级的频率下限的限制元件设置在输入级前端，而应设置在输入级的输出端。这样，输入级的输出端。这样，输入级的1 1f f 噪声也可通过频带的限制而被抑噪声也可通过频带的限制而被抑制。制。14生物医学电

18、子学2122)(ssnfntCRUUC Cs s取值的原则取值的原则是提供充分低阻的交流通路，以便有效地旁路是提供充分低阻的交流通路，以便有效地旁路掉掉R Rs1s1的噪声。的噪声。C C1 1R RB1B1网络实际与信号源相串联，网络实际与信号源相串联， R Rs1s1在在C Cs s两两端的噪声电压端的噪声电压( (热噪声热噪声U U2 2st st 、U U2 2nfnf) )近似为近似为所以所以C Cs s的大小应满足的大小应满足 21222)(ssnfntniCRUUU15生物医学电子学)/(,/111120111sssADLsmLmjXRZRrRRZgRgA其中在在T T2 2的基

19、的基射电阻相比于射电阻相比于R RD1D1大时，对信号源大时，对信号源U Us s的总增益的总增益 由等效电路得到第一级提供的电压增益由等效电路得到第一级提供的电压增益22121eCDmrRRgAAA16生物医学电子学17生物医学电子学生物信号测量系统广泛应用差动放大电路结构，其噪声等生物信号测量系统广泛应用差动放大电路结构，其噪声等效电路的一般形式如图：表示接地源和浮地源两种情况效电路的一般形式如图：表示接地源和浮地源两种情况两臂串联的噪声互不相关，等效输入噪声为两臂等效噪声之和两臂串联的噪声互不相关，等效输入噪声为两臂等效噪声之和18生物医学电子学如果放大器两臂具有相同的噪声机理，则上式可

20、简化为如果放大器两臂具有相同的噪声机理，则上式可简化为 利用利用U Un n-I -In n模型可以对生物医学测量系统中常用的前置放大器模型可以对生物医学测量系统中常用的前置放大器进行低噪声设计。进行低噪声设计。下图为同相输入时的输入短路噪声等效电路。下图为同相输入时的输入短路噪声等效电路。2212122212snnnsniRIUUU根据叠加定理，等效输入噪声根据叠加定理，等效输入噪声U Uni ni为为19生物医学电子学下图为反相输入时的输入端短路噪声等效电路。下图为反相输入时的输入端短路噪声等效电路。等效输入噪声等效输入噪声U Uni ni为为20生物医学电子学下图为生物放大器前置级经常采

21、用的三运放差动放大电路，下图为生物放大器前置级经常采用的三运放差动放大电路，A1A1、A2A2、A3A3组成高差动输入阻抗的同相并联输入级，组成高差动输入阻抗的同相并联输入级，A3A3为差动放大级。为差动放大级。21生物医学电子学在上述同相放大、反相放大等效噪声电路的基础上，得在上述同相放大、反相放大等效噪声电路的基础上，得到三运放前置放大电路的噪声等效电路，如图到三运放前置放大电路的噪声等效电路，如图(b)(b)所示。所示。22生物医学电子学 除有源器件，各外回路电阻均贡献噪声。电阻的噪声贡献除有源器件，各外回路电阻均贡献噪声。电阻的噪声贡献与其在电路中的位置有关。与与其在电路中的位置有关。与A Al l、A A2 2输入端相连接的输入端相连接的R RF F 、R RWW的噪声相对影响最大。在低噪声设计中，除了认真选择低噪声的噪声相对影响最大。在低噪声设计中，除了认真选择低噪声类的电阻外，在有源器件负载允许的条件下，尽量选择低阻值类的电阻外，在有源器件负载允许的条件下，尽量选择低阻值的外回路电阻的外回路电阻( (尤其是输入级尤