第三章信号放大与处理-1

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 生物电是反映人体各种生理状态的一种重要信息，生物电是反映人体各种生理状态的一种重要信息，是人体电子测量中的主要信息源。生物信号都属于是人体电子测量中的主要信息源。生物信号都属于低频的微弱自然信号低频的微弱自然信号, ,为了对生物信号进行各种处理、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。记录、显示，必须首先把信号放大到

2、所要求的强度。信号放大技术是人体电子测量系统中最基本的重要信号放大技术是人体电子测量系统中最基本的重要环节。环节。 各种生物电放大器的结构、性能都是生物医学电各种生物电放大器的结构、性能都是生物医学电子学的主要研究内容。各种生理参数，如血压、心子学的主要研究内容。各种生理参数，如血压、心音、呼吸的测量放大器也都具有各自独特的设计方音、呼吸的测量放大器也都具有各自独特的设计方法。放大器的核心是前置放大，所以前置级的设计法。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。是本章的重点。 第三章第三章 信号放大与处理信号放大与处理生物医学电子学第一节第一节 生生理理参数测量放大器参数测量放大器

3、 3.1.1 基本要求基本要求 生理信号信号频率低、幅值小、信号源阻抗高，生理信号信号频率低、幅值小、信号源阻抗高，并存在较强的背景噪声和干扰。并存在较强的背景噪声和干扰。 1、高增益、高增益 增益可衡量放大器放大信号的能力，生理信号增益可衡量放大器放大信号的能力，生理信号信号的幅值通常为毫伏级、微伏级，信号的幅值通常为毫伏级、微伏级，为了进行各种为了进行各种处理、记录、显示，必须把信号放大到记录、显示处理、记录、显示，必须把信号放大到记录、显示所要求的电压幅度（约几伏）。所以各种生物电放所要求的电压幅度（约几伏）。所以各种生物电放大器必须具有很高的增益，通常在大器必须具有很高的增益，通常在6

4、0dB60dB（10001000倍）倍）到到120dB120dB（100100万倍）之间万倍）之间。生物医学电子学2. 高输入阻抗高输入阻抗（1 1）生物电信号源是高内阻的微弱信号源，信号）生物电信号源是高内阻的微弱信号源，信号源阻抗不仅因人而异、因生理状态而异，而且与电源阻抗不仅因人而异、因生理状态而异，而且与电极的安放位置、电极本身的物理状态都有关系。源极的安放位置、电极本身的物理状态都有关系。源阻抗的不稳定性，使放大器电压增益不稳定，从而阻抗的不稳定性，使放大器电压增益不稳定，从而造成难以修正的测量误差。造成难以修正的测量误差。（2 2）放大器对被测信号源应呈现最轻负载，输入）放大器对被

5、测信号源应呈现最轻负载，输入阻抗不够高，负载过重就产生信号失真。所以通常阻抗不够高，负载过重就产生信号失真。所以通常要求生理参数测量放大器的输入阻抗比信号源内阻要求生理参数测量放大器的输入阻抗比信号源内阻大大10 -10010 -100倍。输入阻抗应不小于倍。输入阻抗应不小于1M1M，最好大于，最好大于或等于或等于10M10M。生物医学电子学 心电、脑电、肌电等体表电位测量的放大器输入心电、脑电、肌电等体表电位测量的放大器输入阻抗指标可参考下表。阻抗指标可参考下表。 用于细胞电位测量的微电极放大器的输入阻抗应大于用于细胞电位测量的微电极放大器的输入阻抗应大于1000M1000M，这在设计上是很

6、困难的，应设法降低信号源阻抗。，这在设计上是很困难的，应设法降低信号源阻抗。高输入阻抗同时也是放大器高共模抑制比的必要条件。高输入阻抗同时也是放大器高共模抑制比的必要条件。生物医学电子学 人体携带的工频干扰对测量电极是共模干扰，生人体携带的工频干扰对测量电极是共模干扰，生物电信号为差模干扰。为了放大生物电信号，抑制物电信号为差模干扰。为了放大生物电信号，抑制干扰，生物电放大器通常选用差动放大形式，产生干扰，生物电放大器通常选用差动放大形式，产生较大的差模增益较大的差模增益A Ad d、较小的共模增益、较小的共模增益A Ac c，共模抑制，共模抑制比高。比高。 共模抑制比是放大器的主要指标，值越

7、大抗干扰能共模抑制比是放大器的主要指标，值越大抗干扰能力越强。生物电放大器的力越强。生物电放大器的CMRRCMRR一般要求一般要求60dB60dB以以上，高性能放大器可达上，高性能放大器可达100dB100dB，这说明对于，这说明对于10mV10mV的共模干扰和的共模干扰和0.1V0.1V的差模信号具有相同的输出。的差模信号具有相同的输出。3.3.高共模抑制比高共模抑制比)(lg20 dBAACMRRAACMRRcdcd或生物医学电子学 放大器的实际共模抑制能力受到放大器前边电放大器的实际共模抑制能力受到放大器前边电极系统的影响。极系统的影响。 通过两个电极提取生物电位时，等效源阻通过两个电极

8、提取生物电位时，等效源阻Z Zs1s1和和Z Zs2s2一般不完全相等，其数值大小与人体汗腺一般不完全相等，其数值大小与人体汗腺 分泌情况、分泌情况、皮肤清洁程度有关。各个电极处的皮肤接触电阻是不皮肤清洁程度有关。各个电极处的皮肤接触电阻是不平衡的，而且因人而异，加之两个电极本身的物理状平衡的，而且因人而异，加之两个电极本身的物理状态不可能完全对称，这样使得与差动放大器两个输入态不可能完全对称，这样使得与差动放大器两个输入相连的源阻抗相连的源阻抗Z Zs1s1和和Z Zs2s2不平衡。不平衡。 这种不乎衡造成的危害，是共模干扰向差模干扰的这种不乎衡造成的危害，是共模干扰向差模干扰的转化，从而造

9、成共模干扰输出。对于这种转化，放大转化，从而造成共模干扰输出。对于这种转化，放大器本身的共模抑制能力再高也将无济于事。但是提高器本身的共模抑制能力再高也将无济于事。但是提高放大器的输入阻抗，则会减小这一转化。放大器的输入阻抗，则会减小这一转化。注注意意生物医学电子学 相对于幅度仅在微伏、毫伏级的低频生物电信相对于幅度仅在微伏、毫伏级的低频生物电信号，放大器的这一要求是重要的。号，放大器的这一要求是重要的。 高阻抗源本身就带来相当可观的热噪声，使输高阻抗源本身就带来相当可观的热噪声，使输入信号的质量很差，所以为了获得一定信噪比的输入信号的质量很差，所以为了获得一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪

10、声性能有严格要求。出信号，对放大器的低噪声性能有严格要求。 理想的生物电放大器，能够抑制外界干扰使其理想的生物电放大器，能够抑制外界干扰使其减弱到和放大器的固有噪声为同一数量级。放大器减弱到和放大器的固有噪声为同一数量级。放大器内部噪声实际上使放大器能够放大的信号具有一个内部噪声实际上使放大器能够放大的信号具有一个下限，也就是说下限，也就是说放大器的噪声电平成为放大器设计放大器的噪声电平成为放大器设计的限制性条件。的限制性条件。4.4.低噪声低噪声生物医学电子学 放大器的低噪声性能主要取决于前置级，正放大器的低噪声性能主要取决于前置级，正确设计放大器的增益分配，在前置级的噪声系确设计放大器的增

11、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。数较小时，可以获得良好的低噪声性能。 前置级的低噪声设计，是整个放大器设计的前置级的低噪声设计，是整个放大器设计的主要任务。主要任务。 除了按照低噪声设计的原则正确进行设计外，除了按照低噪声设计的原则正确进行设计外，常选用低噪声元器件降低放大器本身的内部噪常选用低噪声元器件降低放大器本身的内部噪声；采用严格的装配工艺，减小误差；限制放声；采用严格的装配工艺，减小误差；限制放大器的频带宽度，降低输出噪声。大器的频带宽度，降低输出噪声。生物医学电子学 除了肌电和神经动作电位外，绝大多数的生物电除了肌电和神经动作电位外，绝大多数的生物电信号

12、都具有十分低的频率成分。信号都具有十分低的频率成分。 由于电子元器件的温度漂移与老化引起放大器的由于电子元器件的温度漂移与老化引起放大器的零点漂移。直流放大器的零点漂移限制了直流放大零点漂移。直流放大器的零点漂移限制了直流放大器的输入范围，可导致末级放大器饱和，被测信号器的输入范围，可导致末级放大器饱和，被测信号失真；使微弱缓变信号无法被放大，尤其在进行较失真；使微弱缓变信号无法被放大，尤其在进行较长时间的记录、观察、监护时，基线漂移对测量带长时间的记录、观察、监护时，基线漂移对测量带来严重的影响，使测量不能正常进行。来严重的影响，使测量不能正常进行。 所以零点漂移是放大缓慢信号的限制因素，对

13、放所以零点漂移是放大缓慢信号的限制因素，对放大器的零点漂移应认真加以研究，使放大器具有低大器的零点漂移应认真加以研究，使放大器具有低漂移特性。漂移特性。5 5、低漂移、低漂移生物医学电子学 采用完全对称的差动放大电路，利用电路的对称采用完全对称的差动放大电路，利用电路的对称结构并对元器件参数进行严格挑选，可以有效地抑结构并对元器件参数进行严格挑选，可以有效地抑制放大器的温度变化造成的零点漂移。制放大器的温度变化造成的零点漂移。 为了放大微伏量级的直流信号，可采用温度补偿为了放大微伏量级的直流信号，可采用温度补偿以及调制式直流放大器，把直流信号转换成交流信以及调制式直流放大器，把直流信号转换成交

14、流信号，利用交流放大电路各级零点漂移不会逐级放大号，利用交流放大电路各级零点漂移不会逐级放大的基本思路进行设计，能够有效地改善直流放大器的基本思路进行设计，能够有效地改善直流放大器的低漂移性能。的低漂移性能。 在实际测量中，为了能够在一接通电源就进入正在实际测量中，为了能够在一接通电源就进入正常的工作状态，或者转换导联时，发生瞬时过载的常的工作状态，或者转换导联时，发生瞬时过载的情况下，能够把基线迅速复零，还须在前置级设置情况下，能够把基线迅速复零，还须在前置级设置复零电路复零电路，以保持测量连续进行。，以保持测量连续进行。生物医学电子学 生物医学测量的生物电放大器通过电极与患者相生物医学测量

15、的生物电放大器通过电极与患者相连，放大器输入端的漏电流可能使人体遭受电击的连，放大器输入端的漏电流可能使人体遭受电击的危险。危险。 为了安全，必须尽可能的减小漏电流，应在前置为了安全，必须尽可能的减小漏电流，应在前置级加强绝缘，设置人体安全保护电路和放大器输入级加强绝缘，设置人体安全保护电路和放大器输入保护电路。使通过电极的电流保持在安全水平。保护电路。使通过电极的电流保持在安全水平。 在进行人体生物电测量时，应考虑到同时作用于在进行人体生物电测量时，应考虑到同时作用于人体的其他医学测量设备或可能存在的干扰对放大人体的其他医学测量设备或可能存在的干扰对放大器的破坏作用。器的破坏作用。6 6、高

16、安全性、高安全性生物医学电子学 生物电放大器通频带要略大于处理信号的频谱范生物电放大器通频带要略大于处理信号的频谱范围，以保证高保真和最佳信噪比，以及一定的抗干围，以保证高保真和最佳信噪比，以及一定的抗干扰能力，进行放大器设计时，首先要知道生物电信扰能力，进行放大器设计时，首先要知道生物电信号频率范围。动态范围由有输入信号的变化范围确号频率范围。动态范围由有输入信号的变化范围确定，最小值受噪声和漂移限制，最大值受放大器饱定，最小值受噪声和漂移限制，最大值受放大器饱和区限制。采用增益控制和对数放大可有效提高放和区限制。采用增益控制和对数放大可有效提高放大器动态范围。大器动态范围。 8 8、可快速

17、校准、可快速校准 设有快速校准电路，以便通过标准信号源及时校设有快速校准电路，以便通过标准信号源及时校准定标，显示被测信号波形，并指示其幅值。准定标，显示被测信号波形，并指示其幅值。7 7、合适的通频带宽度和动态范围、合适的通频带宽度和动态范围生物医学电子学 生物电放大器的前置级，都采用差动放大电路结构。能否生物电放大器的前置级，都采用差动放大电路结构。能否用现成的集成运算放大器？即一个基本的差动放大器构成生用现成的集成运算放大器？即一个基本的差动放大器构成生物电放大器的前置级，能否达到生物电放大器所要求的指标物电放大器的前置级，能否达到生物电放大器所要求的指标? ?从简单的基本差动放大电路的

18、共模抑制能力、输入阻抗分析，从简单的基本差动放大电路的共模抑制能力、输入阻抗分析，研究差动放大电路共模抑制比的影响因素，以研究差动放大电路共模抑制比的影响因素，以及如何及如何3.1.2 3.1.2 差动放大电路差动放大电路1. 1. 基本差动放大电路基本差动放大电路提高放大电路的输入阻抗。提高放大电路的输入阻抗。下图为线性集成器件构成的差下图为线性集成器件构成的差动放大电路。两输入端信号由动放大电路。两输入端信号由共模电压和差模信号组成。共模电压和差模信号组成。生物医学电子学（1）理想情况）理想情况+-1R2RFR0u3Ridu21idu21icu1 iu2iu1123231002323123

19、2311212121)1 (0,21,21),(21iFiFFiiiFidiciidiciiiidiiicuRRuRRRRRuRuuRRRRuRRRuRRIIuuuuuuuuuuuuuu的电流相等和有理想运放，其中生物医学电子学dcidFFicFFiFiFuuuRRRRRRRuRRRRRRRuRRuRRRRRu00132311323111232310 2)1()1()1 (其中其中u uococ是共模输出、是共模输出、u uodod是差模输出。它们的数值均由外回是差模输出。它们的数值均由外回路电阻决定，如果选择回路的电阻参数，使得路电阻决定，如果选择回路的电阻参数，使得 0)1 (13231R

20、RRRRRRFF则无共模输出，即共模输入完全被抑制，不产生共模误差。则无共模输出，即共模输入完全被抑制，不产生共模误差。生物医学电子学 为了补偿放大器输入平均偏置为了补偿放大器输入平均偏置电流及其漂移的影响，外部回路电流及其漂移的影响，外部回路电阻还应满足平衡对称电阻还应满足平衡对称321/RRRRF由上面两项要求，得到外回路电阻的匹配条件由上面两项要求，得到外回路电阻的匹配条件 FRRRR321这时，无共模输出。理想闭环差模增益这时，无共模输出。理想闭环差模增益由于共模增益为零，所以放大器的由于共模增益为零，所以放大器的 CMRR = CMRR = 12100RRUUUUUAFiiidd生物

21、医学电子学（2）实际情况）实际情况w 外回路电阻存在误差，外回路不可能达到完全的对称外回路电阻存在误差，外回路不可能达到完全的对称平衡平衡w 在精确匹配电阻之后，可以使在精确匹配电阻之后，可以使U Uococ很小，很小，但不为但不为0 CMRR实际上实际上也不为无穷大也不为无穷大w 放大器所用的集成器件本身的共模抑制比是有限的，放大器所用的集成器件本身的共模抑制比是有限的，也影响整个放大器的共模抑制能力。也影响整个放大器的共模抑制能力。定义定义 CMRRR：外电路电阻匹配精度所限定的放大器共模抑制比外电路电阻匹配精度所限定的放大器共模抑制比 CMRRD: 集成器件本身的共模抑制比集成器件本身的

22、共模抑制比整个放大器的共模抑制比整个放大器的共模抑制比CMRRCMRR取决于取决于CMRRR和和CMRRD生物医学电子学1323101)1(RRRRRRRUUAFFiccc放大器的共模增益为放大器的共模增益为 先分析外回路电阻匹配精度形成的共模输出先分析外回路电阻匹配精度形成的共模输出U Uoc。)1 (),1 ( ),1 (),1 (:333222111FFFRRRRRRRRI设考虑电阻的匹配误差)1)(1 ()1)(1 (,2112122132111FFFccRRAA有上面各式代入生物医学电子学FFcFRRA132113211, 1,则)1)(1()1)(1(211212213211FFF

23、cRRA由外电路电阻失配造成的放大器的共模抑制比为由外电路电阻失配造成的放大器的共模抑制比为 411dcdRAAACMRRCMRRCMRRR R与电阻匹配误差、放大器的闭环差模增益有关。电阻匹配与电阻匹配误差、放大器的闭环差模增益有关。电阻匹配误差越小，闭环差模增益越大，放大器的共模抑制能力越大。误差越小，闭环差模增益越大，放大器的共模抑制能力越大。 dcFAA/1141321则设生物医学电子学器件本身的共模抑制比器件本身的共模抑制比CMRRD对整个放大器的对整个放大器的CMRRCMRR的影的影响响 II 考虑器件考虑器件CMRRDDCRMM:原因成共模干扰电压为转化成差模电压而形这说明共模输

24、入电压因iccccocoDUUAAAAACMRR0,放大器的开环共模增益放大器的开环差动增益DicicciciccCMRRUUAUUUU000差电压折合到输入端的共模误共模输出电压生物医学电子学RDRDcddDcicccdDicicccCMRRCMRRCMRRCMRRAACMRRACMRRAUUAACMRRUUAU:1:1010总的共模抑制比总的共模增益共模输出共模输出U Uococ实际是由于实际是由于CMRRCMRRD D有限而产生的共模误差电压，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，它与差动信号一起被放折合到输入端，相当于一差模电压，它与差动信号一起被放大。大。 由外回

25、路电阻失配和器件本身的由外回路电阻失配和器件本身的CMRRCMRRD D有限，在放大电有限，在放大电路输出端产生的共模误差电压路输出端产生的共模误差电压 .,进一步下降放大器的时在考虑失配和器件本身上式表明CMRR生物医学电子学实例实例dBCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRdBACMRRAdBCMRRICRDRDdRdD741099. 44 .74525041%1 . 0,20,1003总共模抑制比则电阻误差闭环差动增益器件的已知差动放大器比比ICIC器件的共模抑制比小器件的共模抑制比小26dB26dB，而当，而当A Ad d 1 1时，放大电路的时，放大电路的共模抑制比进而下降为共模抑

26、制比进而下降为 53.9dB53.9dB。理论上可以使电阻失配造。理论上可以使电阻失配造成的共模误差电压与集成器件本身产生的共模误差电压互相成的共模误差电压与集成器件本身产生的共模误差电压互相抵消，使抵消，使A Ac c趋于零。但实际电阻的阻值随温度、时间而漂移，趋于零。但实际电阻的阻值随温度、时间而漂移，CMRRCMRRD D的非线性，这种方法的效果是有限的。经过调整可的非线性，这种方法的效果是有限的。经过调整可以使以使CMRRCMRR比比CMRRCMRRD D高一个数量级。高一个数量级。生物医学电子学w放大电路闭环增益放大电路闭环增益w外电路电阻匹配精度外电路电阻匹配精度w 放大器件本身的

27、放大器件本身的CMRRD小结：小结：CMRR受三个因素的影响受三个因素的影响差动放大电路是生物电放大器前置级设计中通常采用的基差动放大电路是生物电放大器前置级设计中通常采用的基本结构，为了提高放大器的共模抑制能力，应掌握限制共本结构，为了提高放大器的共模抑制能力，应掌握限制共模抑制比提高的各种因素。模抑制比提高的各种因素。作为生物电放大器前置级，必须具有高输入阻抗。基本差作为生物电放大器前置级，必须具有高输入阻抗。基本差动放大电路的输入阻抗是否满足要求动放大电路的输入阻抗是否满足要求? ? 生物医学电子学在符合匹配条件下，由理想状态可知，输入阻抗在符合匹配条件下，由理想状态可知，输入阻抗 12Rri 提高输入电阻，必须加大提高输入电阻，必须加大R R1 1，但是加大，但是加大R R1 1，失调电流及，失调电流及其漂移的影响必将加剧。如果选用具有场效应输入级的运其漂移的影响必将加剧。如果选用具有场效应输入级的运放器件组成放大电路，由于它的失调电流及其漂移小，可放器件组成放大电路，由于它的失调电