医用仪器放大器

第三章医用仪器放大器3.1导言人体生理系统产生的电化学信号，其幅值通常是很小的，因而需要予以放大。图3.1给出了一个典型生理监护仪的简化方框图。图中传感器用来检测病人皮肤表面阻挡层产生的电化学信号，并将其转化为电信号，继而这种电信号驱动放大电路。这样就增加了信号的有源元件，比如说放大电路设计中采用的晶体管或集成电路。在一般的生理监护仪中的放大器具有如下特点：高输入阻抗，其值通常超过10MQ高开环增益，其值通常超过1000适量的输出阻抗低白噪声低谐波失真频宽取决于输入信号频率高线性度3.2输入隔离器在生理监护仪中，信号调节放大器电路是由前置隔离电路、电极选择开关、电压放大器及驱动显示器的功率放大器所组成的。前置隔离电路用来提高监护系统的输入阻抗，以便把病人与仪器隔离开来。因为大多数监护仪是由电网供电，而供电电源可能漏电，给病人造成危险。因此，通过传感器电极作用到病人身上的杂散交流电必须减少到最低限度，为此，应使该系统的输入阻抗提高到约50Mq,而隔离放大器就能达到上述的要求。图3.2表示一个典型的隔离放大电路。在这个电路中，用两只相同的晶体管Q1和Q2串联而成射极跟随器电路。显然，放大器的输入阻抗可由共发射极电流增益B乘以输出阻抗而求得。由于晶体管型号相同，则输入阻抗的表达式可写成Z in=BZo2其中基极电阻Ri用来维持Qi的直流偏置，并不影响输出阻抗乙；而射极电阻R2对输出电阻却有影响。在这种开关电路中，输出电阻等效于R2和下一级输入阻抗的并联值。开关电路额定输出电阻相当于1°KQ,额定R?值相当于1KQ或更低。当R2为确定的数值时，由比值10：1就可以确定达林顿管对的输出阻抗。在达林顿晶体管对中典型的B值约为98至99,这将产生约10MQ的输入阻抗。这是一个极高的阻抗，在第二个晶体管的发射极与第一个晶体管的集电极之间可以接一个反馈网络，这个反馈网络称为自举电路（如图3.3所示）。由自举分压网络R和R2所产生的反馈电压与第一晶体管的集电极相连，输入电路信号电平升高,就使通过集电极的信号幅值增加，从而使晶体管的偏置工作点发生改变，结果便提高了输入阻抗。反馈强度与串联R、R和R之值成正比例。用这种方法，输入阻抗通常可以提高到约50MQ.值得注意的是，图3.3中电阻R4和图3.2中电阻R是用来限制流经Q的电流的。尽管这些电路的电压增益近似为0.9,但电流和功率增益却是十分高的。倘若第二只晶体管的电流不受限制，那么它便会烧毁。生理监护仪通常使用3到5个电极传感器。由这些传感器检测的波形，实际上是任何两个电极之间的电化学电压差，而在每个电极与开关电路之间要求有一个隔离放大器。信号放大器可分为直流（DC和交流（入。放大电路两种。3.3直流（。。放大器DC放大器可在频率为零直至声频范围（20至20000HZ内工作而无明显的增益损失。为了说明DC放大器，我们选用三只串联的金属氧化物半导体场效应管组成电路.，如图3.4所示。所用的MOSFET管具有3PA标称漏极电流，漏极对地的电压为10V。输入信号施加于第一只MOSFE的栅极，经放大后，吧第一管漏极信号传给下一管的栅极。末极的漏极采用两只100Kq电阻构成分压器，输出电压取自分压器中心轴头；由于漏极偏置在+10V,为使静态的输出电压为零，则下端的电阻需接到-10V电源上。当一个交流信号源作用于DC放大器的输入端时，便可得到一个放大了的输出电压。直接耦合放大器的主要问题是热飘移，因此放大器的第一级必须采取补偿措施，以便在温度改变时不致引起偏置电平的变化。如果偏置电平的变动被误认为是放大器的正常输入信号，则它将被第一级及其以后的各级放大，这样，即使对于很小的热扰动，累加效应也将引起大的输出变动，而温度补偿则可校正这种效应。放大器直流漂移可通过输出电压的变化来说明，这与用摄氏度表示温度变化的作用是一样的，所用的温度补偿在大小上必须恰好与这个漂移值相同，而方向相反。尽管我们讨论的是MOSFETC放大器，但还有许多别的电路也属于这一类，不论他们采用何种形式都具有相似的性能。由于级间没有耦合元件，DC放大器的偏置易相互影响，其电路的稳定性由反馈电路实现。高增益信号放大器可以由三级RC耦合放大器串联而成，如图3.5所示，在图中，第一级输入信号加在晶体管基级与地线之间，第一级输出信号取自晶体管集电极与地之间，该输出信号电压通过耦合电容Cc2耦合到下一级。一般共发射级结构在每一级中都有一单双级型晶体管，并采用通用偏置电路。由于每一级所用的NPN!用晶体管实质上上是一种开关型器件，因此他们的工作点必须偏置于导通状态。 为此，三个NPN晶体管的基极电位必须比发射极的电位更正一些才行。为了提高每一级的电压增益.通常发射级电阻必须并联一个电容〔又称射级旁路电容），对交流而言可看成是发射级直接接地。第二级的耦合电容 Cc2与QI的集电极和Q2路基级相连。就直流电压来说，Cc2相当于开路，以致Q1集电极直流电压对Q2的基极偏置电压无任何影响。因此每一级的静态工作电压能单独设置，输入电压Vin透过电容器耦合到QI的基极，第一级放大电压Avin，即VI，与Vin相位相反，第二级的放大输出电压V2是A2Vin，第三级的输出V3是A’Vin。A是各级的电压放大倍数。为了快速计算图3.5所示三级RC耦合放大器输入电阻，必须计算QI,Q2和Q3的输入电阻以及射级电流。由于三个通用偏置电路是相同的，故发射极直流电流的计算将适用于三只晶体管。第一级的直流偏置电压Vb可以通过R1和R2的串联分压乘以电源电压而求得，以图3.5为例说明之：R1=60kQR2=30kQEcc=12V贝UVb=30X12/（30+60）=4V当略去发射结正向压降后，发射极电压Ve也为4V。每一级的发射电阻为RE并假设其值为4.0KQ则射极电流I/4V/4kQ,即每级为ImA。三只晶体管工作在同样的DC工作状态下，以致每一级输入电阻近似为50p/IeS》。女口B=100,则输入电阻为50xl00/1=5kQ。第二级的实际输入电阻为R1,R2与Rc并联值，如Rc为5Kq,则第二级输入电阻为20x5X1000/（20+5）=4Kq。而第一、二和三级的实际输入电阻为4Kq。3.4功率放大器功率放大（也称为大信号放大器）的基本功能是一最小的是真对负载提供驱动功率，并获得最大的功率增益。偏置于甲类的放大器是最常见的线性电路，其偏执电驴叫为复杂且效率较低，但稳定性较甲乙类推挽功率放大器是最理想的功率放大器,其主要特点是具有较高的效率，输出功率大而失真小。乙类功率放大器具有较大的失真，如果不采用好的平衡推挽电路，它将不适用于作为音频功率放大器。冰雷放大器具有最有效的偏执方式，使用于输入振幅较大的系统中。功率放大器广泛应用于临床，这些应用包括点外壳输出电路、ECG记录驱动电路、继电器驱动电路以及控制电路等。3.6差动放大器用于测量双极性信号的放大器，如在心电图（ECG、脑电图（EEG以及肌电图（EMG等仪器中所常见的，通常称为差动放大器。差动放大器可放大假在两输入点击之间的微小信号。在理想情况下，这种信号的能量将来自生理源；然而，由于实际设计的限制，某种不需要的信号也将混杂在输入信号中，这种不希望的信号称之为共模信号。共模信号可有各种原因产生，其中包括 60HZ电源分布干扰信号、接地不良、电源漏电。或是生理监护仪一类仪器工作是产生的杂散心好。工性能的差动放大器能抑制大多数共模信号，这取决于所用的两只晶体管的平衡和匹配程度。共模信号的减小称之为共模抑制。就ECGEEG和EMG的测量而言，共模抑制通常规定为100-120Db频率为60HZ和120HZ的共模抑制是很重要的，应对其进行CMF测量。对于生理参数监护仪隋瑶检测的输入电压是EEGw量的1mV到EMG测量的近于10MV之间。这些电压的频率范围是从直流到音频范围的，如ECG信号的频率范围是在0.05-100HZ之间，EEG言号对头皮测量和对0.5-100MS脉冲的大脑皮层测量来说，其频率范围在5-100HZ之间，以及MEG言号为10HZ-10KZ之间。图3.7给出了从输入级直至生理监护仪之间的差动放大器线路图，其电压增益是15而CMR的典型值是120Db.晶体管Q1和Q2以串联方式接到正电源上，而Q3和Q4以串联方式接到负电源上，它连接后在Q5的控制下，两侧实际工作在恒流源状态，其中Q5是高阻抗电流源。当输入信号作用于栅极时便会使通过差动放大器两半边电流的平衡发生偏离，从而电流通过R5和R6便产生电压差。如果驱动Q2的输入信号比驱动Q3的输入信号更正实，则通Q2的集电极电流增加，而通过Q3的集电极电流则减少，其结果是使得Q1的集电极变负、Q4的集电极变正。显然，输入信号见的差值越大，在输出端产生输出电压就越大。单独一台生理监护仪可用于测量ECG'EEG口EMG多中信号测量，因为其在差动输入放大器后面带有一个差动放大器，称之为增益装置或增益选择器，其构成如图308所示。在上述电路中，Q1和Q2构成差动放大器，而Q1和Q2的直流偏流由电阻R2和电阻R4来确定。由于电路两边平衡，将没有电流通过R3o当信号出现在Q1和Q2的基极时，有R2R3和R4偏移构成偏置网络形成的电流，通过两只晶体管以改变失调量，使输出信号放大并反相。这正好从Q1和Q2的集电极所见到的波形一样。当输入信号大于晶体管所能承受的电压时，基极-发射极间二极管能防止反相基极-射极结击穿。一般ECGEEG和EMGT作的增益选择由分路选择开关来完成，而Q1和Q2集电极电路之间的旁路负载阻抗则由选择开关来改变， 每增加一档位置，电路有效增益便增加十倍。在Q1和Q2的集电极之间放置并联电容C1可以确定放大器的带宽。由于选择开关每增加一档，并联阻抗增加10倍，因此带宽也变化10倍。对于ECG带宽一般限制在100HZ左右，对EEG大约为1KHZ而对EMGW为10KHZ3.7反馈放大器反馈的意思是将输出电压或电流信号成比例地送回到输入端，其目的是将放大器具有一个现行稳定输出，而不受其它因素的影响。恒压系统的输出电路应具有低的阻抗，而恒流系统应具有高的阻抗。当输入信号与反馈信号相减时，则构成正反馈。如果设计不当，带有正反馈的系统本身会是不稳定的，因此除了振荡器外，正反馈放大器一般比较少用。而负反馈能使电路稳定，因此得到广泛的应用。负反馈能使系统的如下一些性能得以改善：放大倍数恒定（增益稳定）增加带宽减少内部的噪声和失真改善相位特性增加输入阻抗采用负反馈网络的放大器如图3.9所示，由R1与R2之比所确定的部分输出电压反馈到运算放大器的输入端。当开关S打开时，电压增益等于输出电压Vol除以输入电压V,而开关S闭合时输入电压Vin二Vs+BVs。我们知道，放大器开路时其输出电压Vo1=GVin.因此(带反馈)(3-1)无反馈)(3-2)(带反馈)(3-1)无反馈)(3-2)(3-3)(3-4)(带反馈)(3-5BG的函数。—O1Vo1=GVinVin=Vo1/G=V+BVO1o1=GV+BVO1o1/V=overallgain=G/1-BG带反馈放大器的总增益时内部反馈系数3.8运算放大器运算放大器已广泛用于生物电子仪器中,由于集成电路制造工运算放大器已广泛用于生物电子仪器中,由于集成电路制造工艺的不断改进，集成运算放大器已大大提高了可靠性并且尺寸也减少了，这使运算放大器的使用更加广泛。运算放大器时一种稳定、高增益的直流放大器，它通常带有深度负反馈。照这样制成的函数放大器，相对的不受负载的影响，温度稳定性高,且放大器参数事变特性不敏感。由于极好的近似性，在给定电路中放大器的特性时用外部反馈元件的特性来表示的。理想运算放大器由如下特性：高输入阻抗和低输出阻抗高的电压增益和宽的频带宽度具有最小的温度漂移最小的直流失调电压由于它的适用范围很广，故把差动输入运算放大器列为一个专题来讨论。我们假设放大器工作在低或中等音频范围内。图3.10所示为一个平衡差动运算放大器。在图3.10所示的电路中，输出信号与作用在运算放大器反相端（-）和同相端（+）之间的输入信号之差成正比。为得到最大的共模抑制，设置R1与R2阻值之比与R3及R4阻值之比相等（R1:R2二R3:R4。图3.10中共模电压曰是很小的，可近似为零。如果R仁R3和R2二R4的话，则由作用在两输入端的输入信号所产生的输出信号将是Vo=（e1-e2）R2/R1如果e1-e2等于输入电压Vin，则该级增益可表示为：Vo=VinR2 /R1Vo /Vin=R2/R13.11仪器电源用于仪器内部的电源通常应具有良好的电压线性可调性、负载调整性、低纹波成分以及良好的热稳定性。此外，它们还必须具有能供给1.5倍于其额定电流的能力。大多数仪器电源都是按其用途专门设计的，所谓通用电源，即使有，也是用得很少的。目前，仪器电源趋向于采用全波整流器、串联稳压器或恒压单元。因此，这里我们只讨论这类电源，电源电压的调压是指电源具有在l15v交流电网电压变化中，使其输出电压保持不变的能力。对于医用仪器来说，输入在105至125之间变化时，电源应具有+（-）0.1%;而输入在95至135V间变化时，其电网调整率应不低于1.0%负载调整指的是随着负载电流的变化维持输出电压恒定的能力。性能良好的稳压电源当负载电流变动超过额足电流50%时，其负载调整率将保持在+（-）0.1%的范围。纹波指的与经过整流和滤波的直流输出电压相重叠的交流（ AC）成分。纹被的大小将随滤波电容和负载电流府改变。高阻抗负载吸收很小的电流，因而产生非常小的纹波，人们称这种电源为轻负载电源。低阻抗负载吸收较大电流从而降低了滤波效果，致使输出纹波成分增加，因而这种电源称之为重负载电源。对于仪器电源的输出电压来说纹波系数以0.01%为宜。图3.12所示的电源是生物医学仪器所采用的一种典型的电源电路。在该线路中，115V交流电网电平通过Sw1和F1，进入T1的初始绕组，经过变压器的降压（通常是步降式的），