3-医学信号放大解读课件

第三章信号处理生物电信号前置放大器结构和特点

三运算放大电路结构与特点运算放大电路（同向、反向、差动、跟随器结构和特点）运放滤波电路（一阶，二阶滤波器）运放整形电路（整流、峰值检测等）提高共模抑制能力方法（屏蔽驱动、右腿驱动）心电信号综合电路分析(模拟信号放大、滤波、变换)生物电信号采集输入回路参数电极等效电路电路特点生物电前置放大器电极形成直流电Ｒ等效电阻Ｃ等效电容电极等效电路电路形式与特点差动电路形式电路对称性,抑制共模信号抑制温度漂移能力强双端输入抗干扰能力强前置电路要求高输入阻抗，生物信号源为高内阻，弱信号高输入阻抗有利于提取更大的信号心电生物信号源内阻复杂，约100k

要求放大器的输入阻抗至少1M

脑电要求更高>5M，肌电>100MZi大，放大倍数大且稳定，对Zs变化不敏感Ad：放大器增益Ad’：对生物信号的实际增益Zi大,有利于降低干扰电压Zs变化导致差模电压高共模抑制比CMRR=Ad/Ac要求60-80dB，103-104低噪声，低漂移前置放大器噪声对整个电路影响大低频直流信号放大易造成零点漂移调制，调制种类，如何实现，解调保护电路，保护人体安全和仪器安全快速校准电路放大

具有一定的增益运算放大器概念、结构、优点、基本参数线性运放电路2个重要特点常见运放放大电路形式，电路结构计算放大倍数，说明电路特点运算放大器单、双电源运放特点常见的运算放大器型号运算放大器电路运放电路基础运算放大器是一种高增益直流放大器电路简单、性能稳定、可靠性高、体积小、

耗电量少完成模拟信号放大、滤波、振荡、整形等运算放大器LM74111.2.1 数字投音器、

运算放大器（operationalamplifier，op-amp）是应用得最为广泛的一类集成电路。运算放大器基础双列直插小外形封装薄的缩小型多级直流放大器

uA741:单运放LM324:四运算放大器LM358双运算放大器适合于电源电压范围很宽的单电源使用输出阻抗+—ROvov-v+vid输出输入阻抗反向输入同向输入vid=v+-v-输入信号l放大i+i-

运算放大器的结构和参数A=

RID=Ro=0v+-v-=0i+=i-=0CMMR=

Ac=0理想参数典型参数

主要指标A

106RID50MRo50v+-v-

10-6Vi+

i-

10-9ACMMR>60dBAc<1/60dB共模抑制比(CMRR)输入补偿电压（uv-几mv）输入电流（nA）⑴运放两个输入端的电压近似相等，虚短：U+≈U-⑵两个输入端的输入电流近似为零，虚断：Ii≈0ri→∞，Ii=（u+-u-)/ri=0

理想运放在线性运用时有2个重要结论反相放大器

常见运算放大器电路同相放大器voutvin阻抗匹配:提高输入阻抗,降低输出阻抗,跟随器跟随器其实是同相放大器的一种特殊情况，它把输出信号100%反馈到了反相输入端，电压增益为：CMRR=?与哪些因素有关Ad=-R2/R1Vo=Ad(v1-v2)Ac=?差动放大器优缺点CMRR与哪些因素有关外围电阻的匹配程度器件本身的CMRR增益有关输入阻抗r

2R1R1高，引起失调电流增加和噪声增加，缺点:差动放大器输入阻抗低voutR3v1R4R2R1v2差分电路v1,v2：含共模信号v1=uid/2+ucm,v2=-uid/2+ucmuid=v1-v2差模信号vid等效加在运放的两个输入端相当于两路三极管电压极性相反输入电压为差模和共模之和v1=uid/2+ucm,v2=-uid/2+ucm(以运放内的地位参考)Uid通过差放内部分成正负各一半无共模信号R1//R2=R3//R4输入阻抗平衡如何确定R3，R4等效差模信号共模输出=共模自身放大+等效差模放大(器件)共模放大倍数Ad/Ac1=CMRRRAc1由外部电路结构决定共模抑制比

共模抑制比分析外电路电阻失配造成：CMRRR运算放大器内部造成：CMRRDCMRRR=(Ad+1)/4

电阻失调CMRRD

共模信号的差模电压，Uic/CMMRD器件本身CMRR=CMRRD//CMRRR

voutR3v1R2R3v2R1R2R4R4vref三运放路：仪器放大器A3，差动放大，消除共模信号

双端输入，单端输出Ri=2riA1，A2，同相输入，输入阻抗提高单端含有共模信号A1,A2作用：A3作用

系统CMRR分析只有等效差模放大，无共模放大倍数（相减抵消）输出信号有两部分电路1+电路2相加

系统CMMR分析结论：两级放大器CMMR取决于

第一级的差动增益第二级的CMRR第一级的差动增益决定因素：外围电阻第二级的CMRR：外部电阻的对称性及自身特性尽可能提高第一增益：双极性电源双极性电源、单极电源各自特点单极电源如何处理双极性电源（动态范围大）、单极电源（不能放大负信号）单极电源加直流偏置运算放大器电阻参数运算放大器电阻考虑降低噪声和温度漂移1k

10k,电阻大噪声大,电阻小功耗大,电流大,运算放大器驱动不了.反向放大的输入阻抗是不大的，所以反向放大的时候，要考虑信号源的内阻。为了减小偏置电流带来的影响，还有就是降低噪声和温飘的影响，这个输入电阻一般选择在1K～10K左右的区间。

集成运算放大器分类通用型通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。例μA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器高阻型差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般rid>1GΩ~1TΩ，IB为几皮安到几十皮安。利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。低温漂型在快速A/D和D/A转换器高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、μA715等，SR=50~70V/us,BWG>20MHz。高速型低功耗型常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作电压为±2V~±18V，消耗电流为50~250μA。目前有的产品功耗已达μW级，例如ICL7600的供电电源为1.5V，功耗为10mW，可采用单节电池供电高压大功率型在普通的运算放大器中，输出电压的最大值一般仅几十伏，输出电流仅几十毫安。要提高输出电压或增大输出电流，集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路，即可输出高电压和大电流。D41集成运放的电源电压可达±150V，μA791集成运放的输出电流可达1A。可编程控制型程控运放控制引脚的电平来改变放大的倍数前置级共模抑制能力提高差动输入级提高输入阻抗降低各种外围共模干扰屏蔽驱动原理右腿驱动原理降低各种外围共模干扰C1,C2为导线对屏蔽层分布电容,屏蔽层接地

C1不等于C2，共模转化为差模在两个输入端共模电压相等，若C1与C2不等造成，以及在运放输输入端的分压，使得共模信号变为差模信号。外加屏蔽层,屏蔽层接地,消除外部干扰芯线本身对屏蔽层有分布电容两路信号的分布电容不相等造成共模电压在电阻,电容的分压不等共模信号向差模信号转化A1,A2,A3,A4作用A点电压=？A接共模电压，保证C两端共模电压相等不产生分流，相当于短路A1,A2提高输入阻抗

A3：隔离A4：差动放大VA=1/2(V1+V2)=1/2(uid/2+uic+uic-uid/2)=uic右腿接法悬浮接地通过电阻接地

右腿驱动原理为什么右腿驱动降低共模电压

等效电路解释

A点电位=？A(uo2-ui2)/RF'=(ui2-ui1)/RW=(ui1-uo1)/RF'uo2=(1+RF'/RW)ui2-ui1.RF'/RWuo1=(1+RF'/RW)ui-ui2.RF'/RWUA=(uo1+uo2)/2=(ui1+ui)/2=uic加一个负电压反馈到R0一端Ucm=I0Rd-U’

降低R0原来的电压共模电阻两端电位相等，相当于并联R/2引入负反馈反向电压，抵消I0Rd引入造成的人体共模电压仪表放大器AD620AD620是一种只用外部电阻就能设置放大倍数为1～1000的低功耗、高精度仪表放大器。尽管AD620由传统的三运放放大器发展规律而成的，但一些主要功能却优于三运放的仪表放大器设计，电源范围宽（2.3V-18V），设计体积小，功耗非常低（最大供电电流仅为1.3mA）。因而使用于低电压、低功耗的应用场合。AD650，INA118：A1，A2，A3及R集成在内部叁数:?RG=49.9.W

外接电阻G=1+50.00049.9=1.003增益:

集成仪器放大器RG:外接电阻使用：RG:外接电阻，外接去耦电容，电源，地AD620外接一个电阻即可生物信号滤波器过滤指定频率的信号，来自光学滤波

滤波是选择信号的重要手段滤波对应频率的概念滤波电路：RLC,RL,RC

低通滤波器：低频率的信号通过，将高频信号衰减。

高通滤波器：高频信号通过，将低频信号衰减。

带通滤波器：一定频带范围内的信号通过

带阻滤波器：阻止某一频带范围内的信号通过

PhotocellAmplifierFilterComparatorMCUDisplayPowerSupply心电信号检测滤波器类型高通低通带阻50Hz滤波器肌电滤波器（35Hz）前端高频滤波

滤波器的特性和分类RC，RL无源滤波器LC滤波器

LC串、并联谐振回路

有源RC滤波器LC低频范围内体积大，价格昂贵、衰减大适合高频，如通讯集成运放和RC网络组成的有源滤波器适用于低频，具有一定的增益输入与输出之间有良好的隔离而便于级联。

RC有源滤波器普遍应用于低频、弱信号检测低通滤波器响应20dB10倍频程降低10倍40dB10倍频程降低100倍60dB10倍频程降低1000倍高通滤波器响应带通滤波器响应带阻滤波器（陷波器）滤波器基本要求

会分析滤波器电路的类型能计算滤波器参数（一阶掌握，二阶了解）(截止频率、带宽、品质因数、增益)初步设计滤波器一阶无源低通（截止频率）计算一阶滤波器传输函数s=j

截止频率幅度下降为0.707s=j

一阶无源

有源滤波器（带有运算放大器）

放大、提高输入阻抗改进频带特性等一阶有源低通滤波器

（同向，反向）

传输函数及参数

一阶有源高通滤波器

传输函数及参数

心电测量系统中的滤波器及设计心电信号的频率范围相对比较宽，将使用由低通滤波器和高通滤波器串联所构成的带通滤波器，来实现某个频段信号的通过。其中低通滤波器截止频率为150Hz,高通滤波器截止频率为0.04Hz,电阻参数为：高通滤波器，假定电容为1µF，则得电阻参数为：带通滤波器的频率特性曲线。假定电容为470nF1F=106uF=109nF=1012pF频率高，C大，否则C小，以选合适电阻

心电测量的带通滤波器

低通+高通（串联）两个一级滤波器级联两级RC电路构成实现更好的滤波特性

二阶滤波器滤波器类型分析方法LPHPBPBS二阶滤波器传输函数（s=j

）

：阻尼系数Q:品质因数表征滤波器过渡带衰减快慢巴特沃斯切比雪夫vinRvoutCR4R3CRSallen-Key型二阶低通条件：K=1+R4/R3<3,保证

>0,否则自激条件：A<3

电阻、电容任意的情况推导H(s)

计算中心频率，品质因数，增益同相输入,输入阻抗高,输出阻抗低增益容易调节Q可以调节,得到期望的滤波特性电阻与电容位置互换vinR1voutC1R4R3R2C2Sallen-Key高通滤波器

多路负反馈式二阶波器两路反馈通路反向输入二阶带通滤波器独立改变品质因数Q、频率增益Am、中心频率

fm高通滤波器C1C2C3R1R2通带增益：

截止角频率：高频时,C1,C3共同作用，反向器，C2短路低频时，v-=0,C1,C3,C2开路，R2短路，vo=0低通滤波器

等效电路R1R2R3C1C2

2个低通串联312

带通滤波器高频C1,C2短路，vo=v-=0，R1，C1，R3，R1\R2\C2低通，C1\R3\高通

低频C1,C2开路，R3无电流,vo=v-=0，C2，R3带阻滤波器（也称为陷波器（notchfilter））对某一频率的信号进行抑制(阻抗很大)。常用的带阻滤波器是一种如图示的双T陷波器。（高+低通并联=带阻）双T陷波器的中心频率由电路中的电阻R和电容C两个参数来决定，计算式为：假如R=13kΩ、C=240nF，中心频率为：还能得到远离中心频率时的增益为：

滤波器设计过程根据系统要求的频率特性，确定滤波器种类选择电路结构,求解方程，计算R、C元件值根据频率f0，A,Q确定C1

C2

R1

R2R3

R4,C1=C2,R1=R3C的容量不易超过1uF,大容量的电容器体积大，价格高，应尽量避免使用,一般为0.1uF

R：几K-几百K

，不要太大，太小

最大值电路

(a)波形；(b)电路

运算放大其他电路

包络检波电路(峰值跟踪)

电路名称和输出

电压比较器的符号及传输特性特点：开环状态，无负反馈，非线性，无虚短

A很大，输出正向饱和，反向饱和

电压比较器的功能是比较两个输入电压的大小，据此决定输出是高电平还是低电平。高电平相当于数字电路中的逻辑“1”，低电平相当于逻辑“0”。比较器输出只有两个状态，不论是“1”或是“0”，比较器都工作在非线性状态。“虚短路”概念不能随便应用

该电路也可用于“整形”，用于记数或触发电路

电压比较器1.单限比较器

过零比较器

波形-整形Ui,Ur=0比较Ui,Ur三角波专用比较器LM339输出功率较大,驱动较大负载翻转沿电位器调整阈值555整型电路运算放大器电路总结线性电路：放大、滤波非线性电路：开环或有非线性器件如整形电路