第三章信号放大与处理2

1、生物医学电子学生物医学电子学生物医学电子学第三章第三章 生理参数测量与处理生理参数测量与处理 Biomedical Electronics第一节第一节 生理参数测量生理参数测量放大器放大器第二节第二节 模拟滤波器模拟滤波器设计设计 生物医学电子学基本差动放大电路输入电阻不够基本差动放大电路输入电阻不够高的根本原因在于差动输入电压高的根本原因在于差动输入电压是从放大器同相端和反相端同时是从放大器同相端和反相端同时加入的。如果把差动输入信号都加入的。如果把差动输入信号都从同相侧送入，则能大大提高电从同相侧送入，则能大大提高电路的输入阻抗。路的输入阻抗。生物电放大器前置级经常采用的生物电放大器前置级

2、经常采用的设计方案设计方案，实现阻抗变换：实现阻抗变换：（1 1）同相输入结构；）同相输入结构；（2 2）在差动放大电路前面增加）在差动放大电路前面增加一级缓冲级一级缓冲级( (同相电压跟随器同相电压跟随器), ),有有极高的输入阻抗、较低的输出阻极高的输入阻抗、较低的输出阻抗和很强的负载驱动能力。抗和很强的负载驱动能力。2 2、同相并联差动放大器（三运放）、同相并联差动放大器（三运放）生物医学电子学A A1 1、A A2 2组成同相并联输入第一级放大，作用是提高放大器组成同相并联输入第一级放大，作用是提高放大器的输入阻抗，输入阻抗可达到的输入阻抗，输入阻抗可达到10M10M以上以上A A3

3、3实现差动放大，作为放大器第二级实现差动放大，作为放大器第二级同相并联结构前置放大电路同相并联结构前置放大电路生物医学电子学放大器分析放大器分析FiwiiFiwFiiidRUURUURUURRUUUUU01112202020112,有电流相等由、第一级输出为设12011202)1 (U- )1 (:iwFiwFiwFiwFURRURRURRURRU得wFdiiwFRRAUURRUUU21:)(21 (:11201020第一级电压增益解得生物医学电子学 放大器的评价放大器的评价优点优点 第一级输出不产生共模电流第一级输出不产生共模电流 无须考虑外电路电阻匹配，保证它的共模抑制能力。电无须考虑外电

4、路电阻匹配，保证它的共模抑制能力。电位器位器Rw上的差动电压决定整个电路工作电上的差动电压决定整个电路工作电 流，而电位流，而电位器上的共模电压对此电流毫无影响器上的共模电压对此电流毫无影响 可方便增益调节可方便增益调节 结构对称，有利于克服失调、飘移的影响结构对称，有利于克服失调、飘移的影响缺点缺点 A1、A2各自各自CMRR的的差异会造成第一级差异会造成第一级CMRR12的下降的下降生物医学电子学设设A A1 1、A A2 2的的CMRR1、CMRR2均为有限值，共模输入电压均为有限值，共模输入电压U Uic ic使使A A1 1在它的输入端存在共模误差电压在它的输入端存在共模误差电压U

5、Uic ic / / CMRR1，使使A A2 2在它的输入端存在共模误差电压在它的输入端存在共模误差电压U Uic ic / / CMRR2 在第一级输出端存在共模误差的输出电压在第一级输出端存在共模误差的输出电压 21211112CMRRCMRRCMRRCMRRAACMRRcd1121112)11()(dicoccdicicocACMRRCMRRUUAACMRRUCMRRUU第一级电路第一级电路CMRR12生物医学电子学第一级放大电路的第一级放大电路的共模抑制能力共模抑制能力取决于运放器件取决于运放器件A A1 1和和A A2 2本身本身的的共模抑制比的差异共模抑制比的差异。为了使第一级放

6、大电路获得高共模抑制。为了使第一级放大电路获得高共模抑制比，比， A A1 1和和A A2 2本身本身的本身本身的CMRR1、CMRR2的数值是否高并不的数值是否高并不重要，重要的是它们的对称性。重要，重要的是它们的对称性。21211112CMRRCMRRCMRRCMRRAACMRRcd所以实现第一级放大电路的高共模抑制比并不困难，通常可达所以实现第一级放大电路的高共模抑制比并不困难，通常可达到到100dB100dB以上。以上。dBCMRRdBCMRRdBCMRRdBCMRRdBCMRRdBCMRR160:,5 .80,8083:,90,80:12211221则若则若例生物医学电子学因为不考虑

7、这一级共模电压向差模电压的转化，因为不考虑这一级共模电压向差模电压的转化，A A1 1、A A2 2输输出端就存在与输入端相同的共模电压。这样，共模电压在出端就存在与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变小。范围变小。为了割断共模电压在电路中的传递，最简单、有效的方法为了割断共模电压在电路中的传递，最简单、有效的方法是在是在A A1 1、A A2 2并联电路的后边接入一级差动放大，构成两级并联电路的后边接入一级差动放大，构成两级放大电路。放大电路。仅仅用仅仅用A A1 1、A A2 2构成

8、前置级是不足的构成前置级是不足的生物医学电子学放大器的技术指标放大器的技术指标)111(:)21 (:1312033120121ddicccdicdiccFwFdddACMRRCMRRAUUAACMRRUACMRRUURRRRAAA总的共模增益总的共模输出两级总增益第一、二级的共模抑制比有限，共同造成了整个放大电路第一、二级的共模抑制比有限，共同造成了整个放大电路的共模输出电压，应用叠加原理，的共模输出电压，应用叠加原理，12313121:CMRRCMRRACMRRCMRRAAACMRRCMRRddcd两级总生物医学电子学313112:CMRRACMRRCMRRACMRRdd则若可以看到，同相

9、并联差动放大电路构成生物电前置级时，可以看到，同相并联差动放大电路构成生物电前置级时，其共模抑制能力取决于：其共模抑制能力取决于：A A1 1、A A2 2器件的器件的CMRRCMRR1 1和和CMRRCMRR2 2的对称程度的对称程度A A3 3运放器件的共模抑制比运放器件的共模抑制比差动放大的闭环增益以及差动放大的闭环增益以及R RF F、R R1 1电阻的匹配精度、同相并电阻的匹配精度、同相并联的第一级差动增益。联的第一级差动增益。严格挑选放大器的严格挑选放大器的CMRRCMRR1 1和和CMRRCMRR2 2参数时，第一级具有参数时，第一级具有较好的对称性，因而较好的对称性，因而 两级

10、放大电路的共模抑制比主要取决于第一级的差动增益和第两级放大电路的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二级的共模抑制能力 生物医学电子学例：ECG前置放大器实用电路CMRR1=100dB,输入阻抗输入阻抗80M，电阻精度，电阻精度0.1%，求包括电极系统在内的放大电路的总共模抑制比。求包括电极系统在内的放大电路的总共模抑制比。 +-A1A2A301u02u1 iu2iu0u100K20K100K20K100K20K100K20K23K解：电极阻抗不平衡，将造成共模电压向差模电压的转化，解：电极阻抗不平衡，将造成共模电压向差模电压的转化，因此共模误差电压是由输入回路、第一级、

11、第二级放大电路因此共模误差电压是由输入回路、第一级、第二级放大电路共同产生的。共同产生的。生物医学电子学1478,1000001001500104514155:,3422123001221 RDRDDdRddddiccdiciscCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRdBCMRRACMRRAAAACMRRUUAUZZUCMRRCMRRCMRR其中则设如果如果A A1 1、A A2 2的共模抑制比精密对称，则第一级的共模抑制比的共模抑制比精密对称，则第一级的共模抑制比CMRRCMRR1212视为的视为的 ，不产生共模误差。只计算电极阻抗不平衡，不产生共模误差。只计算电极阻抗不平衡引起的共模输出

12、引起的共模输出U UOCOC和和A A3 3组成的第二级共模抑制比有限产生组成的第二级共模抑制比有限产生的共模输出的共模输出U Uococ。生物医学电子学dBCMRRAZZAACMRRCMRRCMRRAAZZUUAUCMRRAAZZUUUdiscdddisicccicddisccc801011:)(43132032000 总整个电路的共模增益由于电极阻抗不平衡造成总共模抑制比下降了由于电极阻抗不平衡造成总共模抑制比下降了20dB20dB。生物医学电子学生物电放大器前置级的设计步骤生物电放大器前置级的设计步骤（1）器件选择：）器件选择：A1，A2共模抑制比严格对称，共模抑制比严格对称，CMRR之

13、差小于之差小于0.5dB。A3高共模抑制比，高共模抑制比，CMRR大于大于100dB。（2）第二级差动放大电路电阻匹配精度是影响共模抑第二级差动放大电路电阻匹配精度是影响共模抑制能力的主要因素，电阻制能力的主要因素，电阻匹配精度优于匹配精度优于0.1，对于两，对于两级差模增益的各种不同分配，总共模抑制比都有级差模增益的各种不同分配，总共模抑制比都有6dB6dB的的改善。常用精密电桥选择高精度、高稳定性的电阻，先改善。常用精密电桥选择高精度、高稳定性的电阻，先确定确定R Rl l、R R2 2，再由，再由A Ad2d2的设计值确定的设计值确定R RF F。最后，通过。最后，通过RF的调整进一步提

14、高精度的匹配。的调整进一步提高精度的匹配。 生物医学电子学 前置级增益以及组成前置级的两级放大电路的增前置级增益以及组成前置级的两级放大电路的增益分配，都影响总的益分配，都影响总的CMRR。Ad1、Ad2互相制约，互相制约，但是但是Ad1值取得较高一些，有利于放大级总的共模抑值取得较高一些，有利于放大级总的共模抑制比的提高。制比的提高。 放大器各级增益的设计，受到低噪声性能的限制。放大器各级增益的设计，受到低噪声性能的限制。尽可能提高第一级电压增益，有利于实现低噪声性尽可能提高第一级电压增益，有利于实现低噪声性能。放大器总的噪声系数主要取决于第一级，提高能。放大器总的噪声系数主要取决于第一级，

15、提高第一级增益使信号质量改善，提高了信噪比。第一级增益使信号质量改善，提高了信噪比。 实验表明：在实验表明：在Ad1足够大时，总的共模抑制比随足够大时，总的共模抑制比随Ad1增加将十分缓慢。增加将十分缓慢。(3)(3)两级增益分配适当两级增益分配适当生物医学电子学 为了获得高输入阻抗，并达到少用运放器件的目的，为了获得高输入阻抗，并达到少用运放器件的目的，还可以采用还可以采用同相串联结构形式同相串联结构形式的前置级设计。电路结构如的前置级设计。电路结构如图所示，与同相并联差动放大电路结构相比，少用了一图所示，与同相并联差动放大电路结构相比，少用了一个运放器件。差动信号均由同相端进入，个运放器件

16、。差动信号均由同相端进入，A1的输出的输出U01和和Ui2一起送入一起送入A2，从，从A2获得单端输出，称之为串联结构获得单端输出，称之为串联结构 3、同相串联型放大器、同相串联型放大器差动信号从两个运算放大器的同相端送差动信号从两个运算放大器的同相端送入，从而获得很高的输入电阻。差动输入，从而获得很高的输入电阻。差动输入电阻近似为两个运算放大器的共模输入电阻近似为两个运算放大器的共模输入电阻之和。如果两个运算放大器共模入电阻之和。如果两个运算放大器共模输入电阻输入电阻rc相等，则此串联电路的差动相等，则此串联电路的差动输入电阻近似为输入电阻近似为2rc，通常可高达几十兆，通常可高达几十兆欧，

17、完全满足生物电放大器的要求。欧，完全满足生物电放大器的要求。生物医学电子学A A1 1构成同相放大电路，它的输出电压构成同相放大电路，它的输出电压 生物医学电子学为了使共模增益为零，外电路电阻应按下式匹配为了使共模增益为零，外电路电阻应按下式匹配 RRRRRRRRRRFFFFF221121210)1 (放大电路的差动闭环增益为放大电路的差动闭环增益为 计算放大电路的共模抑制比，设两对电阻的匹配误差分别为计算放大电路的共模抑制比，设两对电阻的匹配误差分别为 生物医学电子学得到共模增益得到共模增益 电阻失配误差所限定的共模抑制比为电阻失配误差所限定的共模抑制比为 和同相并联结构类似，为了减小电阻失

18、配引起的共模误差，提高和同相并联结构类似，为了减小电阻失配引起的共模误差，提高闭环增益是十分有意义的。闭环增益是十分有意义的。 生物医学电子学 电路总的共模抑制能力，也是由运放器件电路总的共模抑制能力，也是由运放器件A A1 1、A A2 2的共模抑的共模抑制比制比CMRRCMRRl l、CMRRCMRR2 2与外回路电阻匹配误差形成的与外回路电阻匹配误差形成的CMRRCMRRD D共同决定的。共同决定的。 共模电压同时加在两个运放共模电压同时加在两个运放A A1 1、A A2 2的同相端。由于的同相端。由于A A2 2的反的反相作用，运放相作用，运放A Al l同相端的共模电压经放大后，在输

19、出端形成同相端的共模电压经放大后，在输出端形成的误差电压的极性，与的误差电压的极性，与A A2 2同相端的共模电压经放大后在输出同相端的共模电压经放大后在输出端形成的误差电压极性相反，两者可以抵消。可以证明，若端形成的误差电压极性相反，两者可以抵消。可以证明，若CMRRCMRRl l = CMRR= CMRR2 2 ，且满足式匹配条件，则两运放共模增益，且满足式匹配条件，则两运放共模增益产生的误差电压可完全抵消。产生的误差电压可完全抵消。 A A1 1的的CMRRCMRRl l有限产生的共模输出，经过同相放大，在有限产生的共模输出，经过同相放大，在 A A1 1的的输出端形成的共模电压为输出端形成的共模电压为生物医学电子学A A2 2的输出的输出( (即放大电路的共模输出即放大电路的共模输出) )RRRRRRFFF2211把匹配关系把匹配关系代入得代入得生物医学电子学同理，同理，A A2 2在其输出端产生的共模电压在其输出端产生的共模电压 电阻失配产生的共模输出为电阻失配产生的共模输出为 上列三项输出端的共模电压叠加，得到共模增益上列三项输出端的共模电压叠加，得到共模增益 所以，放大电路的总共模抑制比所以，放大电路的总共模抑制比生物医学电子学同相串联结构的放大电路