第3章 医学仪器常用电路

第三章医学仪器常用电路3.1运算放大器的类型和技术参数3.2信号放大电路3.3滤波电路3.4典型电源电路3.5生物电放大器前置级原理3.6噪声特性分析3.7抗干扰措施3.8便携式仪器的设计特点3.1运算放大器的类型和技术参数通用型运放通用型运放的各项性能指标都比一般的分立元件直接耦合放大电路有所改善，大致能够满足中等精度的要求，一般情况下无须调零即可使用。专用型运放低噪声运放、精密运放、高速运放、低偏置电流运放、低漂移运放、低功耗/微功耗运放等。3.1运算放大器的类型和技术参数3.1.1运放的类型3.1.2运放的参数3.1.3集成电路的元件特性3.1.1运放的类型1通用型运算放大器2高阻型运算放大器3低温漂型运算放大器4高速型运算放大器5低功耗型运算放大器6高压大功率型运算放大器

3.1.2运放的参数图3-1非理想运算放大器的等效电路图3-2运算放大器输入端的长尾对电路3.1.2运放的参数1输入参数2差模特性参数3共模特性参数4大信号动态参数3.1.2运放的参数1输入参数（1）输入失调电压（2）输入偏置电流（3）输入失调电流（4）温度漂移

图3-3放大器的输入结构3.1.2运放的参数2差模特性参数（1）开环差模电压增益（2）最大差模输入电压（3）差模输入电阻图3-4741型运放AVO的频率响应3.1.2运放的参数3共模特性参数（1）最大共模输入电压（2）共模输入电阻（3）共模抑制比CMRR3.1.2运放的参数4大信号动态参数（1）转换速率SR（2）全功率带宽（3）单位增益带宽BWG图3-5转换速率示意图3.1.3集成电路的元件特性

集成电路（IC）上晶体管偏置电路的设计方法通常与分立元件电路不同，这是因为容限、匹配和元件的相对成本相差很多。所以在IC设计过程中，要尽可能的避免使用电容和电阻。另一个需要考虑的因素是特定生产过程中生产的元件质量。3.2信号放大电路

信号放大器是检测技术中应用十分广泛的调理电路，通常被置于靠近传感器或转换器的位置，将微弱的信号放大，提高有用信号的电平，从而提高了测量信号的信噪比。常用的放大电路有同相放大器、反相放大器、差动放大器和隔离放大器等，它们大多由集成运算放大器构成。3.2信号放大电路3.2.1反相放大电路3.2.2同相放大器3.2.3基本差动放大电路3.2.4高共模抑制比放大电路3.2.5电桥电路3.2.6隔离放大器3.2.1反相放大电路

图3-6反相放大电路3.2.1反相放大电路反相放大器的特点：①引入深度电压并联负反馈，输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关；②共模输入电压为0，对运放的共模抑制比要求低；③由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强；④由于并联负反馈的作用，输入电阻小，，因此对输入电流有一定要求；⑤平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性；⑥为了保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大，而大电阻的精度差，因此在放大倍数大时，此结构的反相放大器不再适用。3.2.2同相放大器

图3-7同相放大电路同相放大器的放大倍数abC3.2.2同相放大器同相放大器的特点：①由于电压负反馈的作用，输出电阻小；②由于串联负反馈的作用，输入电阻大；③共模输入电压为，因此对运放的共模抑制比要求高。3.2.3基本差动放大电路

图3-8基本差动放大电路差动运放电路放大倍数电路放大倍数通用放大倍数公式CMRR影响因素分析同相放大倍数为0电阻失配的共模抑制比CMRR影响因素分析器件本身的CMRRD总的CMRR3.2.4高共模抑制比放大电路图3-9三运放电路图

图3-10同相并联结构的心电前置级电路第一级放大电路的放大倍数两级放大电路的增益第一级电路的共模抑制比总共模抑制比共模抑制能力取决于：第一级运放器件共模抑制比的对称程度第二级运放器件的共模抑制比差动放大级的闭环增益以及

、

电阻的匹配精度同相并联的第一级差动增益、

严格挑选第一级器件有较好的对称性，从而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。3.2.4高共模抑制比放大电路

这种结构电路作为生物电放大器前置级的设计步骤为：（1）器件选择。（2）在影响共模抑制能力的诸因素中，第二级差动放大电路中电阻的匹配精度是主要的。（3）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CMRR值。3.2.5电桥电路图3-11惠斯通电桥电路及等效电路图3-12电桥平衡电路电桥电路计算公式电桥等效输出阻抗电桥等效输出电压典型惠斯通电桥的输出电压3.2.6隔离放大器

隔离放大器可应用于高共模电压环境下的小信号测量。使用光电隔离放大器应该注意的问题：（1）放大器前、后级之间不能有任何电的连接，不能共用电源，地线也不能接在一起。（2）光电耦合器中的发光二极管的工作电流极限值通常为30mA，因此光电隔离放大器的设计主要是设置光电耦合器的工作电流范围。3.3滤波电路允许一定频率范围的信号顺利通过，抑制或削弱（即滤除）那些不需要的频率分量的过程称为滤波。把信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带。通带和阻带之间的分界频率称为截止频率。理想滤波器在通带内的电压增益为常数，在阻带内的电压增益为零，实际滤波器的通带和阻带之间存在一定的过渡带。3.3滤波电路3.3.1滤波器的分类3.3.2滤波器的主要特性指标3.3.3RC有源滤波电路3.3.4几款常用的滤波器设计软件3.3.5有源滤波器集成电路3.3.1滤波器的分类(1)按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。(2)按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。(3)按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。(4)按微分方程或传递函数的阶数分有：一阶滤波器、二阶滤波器或高阶滤波器等。3.3.2滤波器的主要特性指标（1）特征频率（2）增益与衰耗（3）阻尼系数α与品质因数Q（4）灵敏度（5）群时延函数3.3.3RC有源滤波电路RC滤波器电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，并且选用标准的阻容元件易得，所以在实际电路中最经常用到的滤波器是RC滤波器。

RC有源滤波电路具有良好的性能：体积小，品质因数Q值可达1000，有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使输入电阻高、输出电阻低，输入输出之间具有良好的隔离。3.3.4几款常用的滤波器设计软件（1）FilterSolutions（2）FilterWizPro（3）FilterCAD（4）FilterLab（5）FilterPro（6）Webench3.3.5有源滤波器集成电路

目前电子市场上已有多种有源滤波器集成电路，例如美国MAXIM公司的MAX274/275，MAX26X系列（引脚可编程的通用及带通滤波器）；BB公司的UAF42有源滤波器；美国LTC(linearTechnologyCorp)公司的LTC1562等。3.4典型电源电路电源电路的类型：AC/DC,DC/DC；线性电源，开关电源线性电源：调整管工作在线性放大区输出纹波电压小、瞬态响应速度快、没有高频干扰、电路简单便于维修功耗很大，变换效率通常只有35%，需要加体积庞大的散热片，大体积的工频变压器，大电解电容开关电源：利用功率半导体器件使变压器工作在高频开关状态，利用L、C储能并通过PWM（脉宽调制）控制获得需要的电压的装置。功耗小，效率高，可达80%~90%。体积小，重量轻。高频元器件价格高，因此成本较高，输出纹波噪声电压较高，动态响应较差。3.4典型电源电路传统的线性稳压器，如78xx系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出2V~3V以上，否则就不能正常工作。高压差芯片的特点是可提供较大的电流，可以达到1-2A，因此一般在电源电路的前端使用高压差芯片，以保证仪器电路能量的供应。图3-13典型直流电源的组成部分在医学电子电源设计中，采用工频电源供电时通常先通过AC/DC电路得到需要的直流电压，再通过DC/DC隔离应用部分或是降低电源纹波，之后通过LDO输出稳定的电压为模拟电路供电，当整个电路中需要负电压电源时通常通过电荷泵产生负压。

交流电AC/DC

线性电源/

开关电源DC/DC(升压型/降压型/电气隔离型)LDO电荷泵

图3-14医学仪器中常用的电源结构图锂离子电池特点锂离子电池的标称电压是3.7V，充电终止电压4.2V。锂聚合物电池是其升级版本，比锂离子电池更轻，能量密度更高严禁过充、过放电，一旦充电超过4.2V或者放电低于3.6V，都可能会永久性损坏锂电池或者造成容量下降。锂电池的充电管理使用专门的电源管理芯片。3.5生物电放大器前置级原理对人体电信号进行测量时，通常要求对两点间的电位差进行放大。因此生物电放大器前置级通常采用差动电路结构。根据生物电信号的特点以及通过生物电极的提取方式，对生物电放大器前置级提出下述性能指标要求。各项要求的实际数值范围，由所测量的参数确定。3.5生物电放大器前置级原理3.5.1高输入阻抗3.5.2高共模抑制比3.5.3低噪声、低漂移3.5.4设置保护电路3.5.1高输入阻抗

图3-15生物电放大器的输入回路电路放大倍数为放大倍数与输入阻抗和信号源阻抗有关，加大输入阻抗可以减小信号源内阻变化对放大倍数的影响3.5.2高共模抑制比

为了抑制人体所携带的工频干扰以及所测量的参数外的其他生理作用的干扰，需选用差动放大形势，因此CMRR值是放大器的主要技术指标。生物电放大器的CMRR值一般要求为60~80dB，高性能放大器的CMRR达100dB，这说明对于100mV的共模干扰和0.1μV的差模干扰具有相同的输出。3.5.3低噪声、低漂移

对于幅度仅在微伏、毫伏数量级的低频生物电信号而言，低噪声、低漂移是生物电前置放大器的重要要求。3.5.4设置保护电路

作为生物医学测量的生物电放大器，应在前置级设置保护电路，包括人体安全保护电路和放大器输入保护电路。保护电路使通过电流保持在安全水平。3.6噪声特性分析

噪声和干扰是电子仪器的大敌，它混在信号之中，会降低仪器的有效分辨能力和灵敏度，使测量结果产生误差。在数字逻辑电路中，如果干扰信号的电平超过逻辑元件的噪声容限电平，会使逻辑元件产生误动作，导致系统工作紊乱。噪声和干扰是不可避免的，尤其是在人体电信号通常很弱的情况下，如何提高电子仪器的抗干扰能力，保证测量结构的准确，是仪器设计中必须考虑的问题。3.6噪声特性分析3.6.1噪声与干扰的基本特性3.6.2运放电路中的噪声分析3.6.1噪声与干扰的基本特性

干扰与噪声是两个不同性质的概念。一般来说，把那些来自信号外部、可以用屏蔽或接地的方法加以减弱或消除的影响称为“干扰”；而把由于材料或器件内部的原因而产生的污染称为“噪声”。生物医学测量系统中的主要噪声类型有三种类型，低频噪声、热澡声、散粒噪声。低频噪声热噪声热噪声的谱密度与工作频率f无关，属于白噪声散粒噪声散粒噪声属于白噪声。散粒噪声与流过半导体PN结位垒的电流有关，所以三极管、二极管中都存在散粒噪声的电流噪声机构。在简单的导体中没有位垒，因此没有散粒噪声。3.6.2运放电路中的噪声分析

运算放大器的直流参数有输入失调电压、输入偏置电流、输入失调电流、开环放大倍数和倍率电阻，它们是形成零点漂移电压e和倍率系数变化dk的主要因素。图3-16是一个同相放大电路的等效电路。

图3-16同相输入方式运算放大电路的等效电路该放大器的放大倍数为(1+k)d。当放大器的开环放大倍数

时，系数d→1，此时实际运算放大器的放大倍数接近理想运放的放大倍数。由于A、R

都随温度的变化而变化，因此实际运放的放大倍数还会随温度的变化而产生温度漂移。输入失调电压和失调电流对放大器输出的影响相当于在输入信号上加了一个零漂电压但

都是温度的函数，因此温度变化时等效的零漂电压

也会随着变化。减小零漂电压的方法有两个，一是控制温度变化范围，二是选择失调电压电流小的运放。3.7抗干扰措施干扰的来源有很多，性质也不一样。干扰窜入仪器的渠道主要有三个：（1）空间电磁场。通过电磁波辐射窜入仪器，如雷电、无线电波等。（2）传输通道。各种干扰通过仪器的输入输出通道窜入，特别是长输出线受到的干扰更严重。（3）配电系统。如来自市电的工频干扰，它可以通过电源变压器分布电容和各种电磁路径对测试系统产生影响。各种开关、可控硅的启闭，元器件的机械振动等都会对测试过程引起不同程度的干扰。3.7抗干扰措施3.7.1串模干扰及其抑制3.7.2共模干扰及其抑制3.7.3模拟电路和数字电路的隔离3.7.4接地方法3.7.5软件的抗干扰技术3.7.6自激震荡现象与排除方法3.7.1串模干扰及其抑制

串模干扰是由外界条件引起的、叠加在被测电压上的干扰信号，并通过测量仪器的输入端，与被测信号一起进入测量仪器而引起测量误差。串模干扰的抑制：（1）采用滤波器（2）选择器件（3）对信号进行预处理（4）电磁屏蔽图3-17串模干扰叠加原理3.7.2共模干扰及其抑制

共模干扰就是同时叠加在两条被测信号线上的外界干扰信号，由于被测信号的地和仪器地之间不等电位，两个“地”之间的电位差就成为共模干扰源。

图3-18输入回路的共模干扰共模干扰源通过信号源内阻、导线电阻

以及绝缘阻抗，把干扰源的一部分变换成串模干扰源之后，才对测量产生干扰，引起测量误差。3.7.2共模干扰及其抑制降低共模干扰转换成串模干扰的效率，就可以抑制共模干扰引起的误差。（1）利用双端输入的运算放大器作为输入通道的前置放大器，抑制共模干扰。（2）利用隔离放大器、变压器或光电耦合器将信号源和仪器隔离，使两个地之间没有直接的导通回路。（3）利用浮地输入双层屏蔽放大器双层屏蔽的共模干扰抑制

图3-19双层屏蔽的结构及等效电路3.7.3模拟电路和数字电路的隔离

医学电子仪器中既有数字电路，又有模拟电路，但输入的模拟信号很小时，数字电路对模拟信号产生较大的干扰，为了解决这个问题，应该避免两者之间有共同的回路，将模拟电路和数字电路隔离起来。3.7.4接地方法1.单点接地和多点接地2.数字地和模拟地图3-20单点接地方式图3-21高频电路的多点接地3.7.5软件的抗干扰技术1.干扰对软件的影响2.“看门狗”技术

图3-22数字地和模拟地的正确接法3.7.6自激震荡现象与排除方法

电子仪器在无输入的情况下有输出波形，这是由于仪器内产生了自激震荡。在生物信号放大器中，这种震荡是有害的，应予根除。高频振荡一般是由于放大器的级间耦合和布线不合理引起的。消除高频振荡的方法是合理安排布线，改善接地点，隔离输入级和输出级，加固电路板等。低频振荡主要是由于前后级共用同一个直流电源所引起的。消除的办法主要是采用高质量电源以及在各级供电电源之间加RC退耦电路，使各级电源在一定程度上独立起来。3.8便携式仪器的设计特点

便携式仪器一般采取电池供电方式。使用者当然不希望经常性的充电或更换电池，所以待机时间的长短往往是使用者考虑的一个重要因素。这要求设计者采取各种方法来降低功耗。3.8便携式仪器的设计特点3.8.1选择CMOS工艺的元器件3.8.2单片机的低功耗设计3.8.3存储器的低功耗设计3.8.4电源的低功耗设计3.8.5使用液晶显示技术3.8.6表面安装技术3.8.7电路集成设计3.8.8减小体积尺寸3.8.1选择CMOS工艺的元器件

随着集成电路工艺的发展，集成电路的电源电压已呈下降趋势。运算放大器、A／D转换器及各种数字器件均广泛采用CMOS工艺。CMOS器件具有极低功耗、高噪音容量和较宽的工作电压范围等许多独特的优点。因此CMOS电路成为便携式医学仪器设计采用的主要器件。3.8.2单片机的低功耗设计1.时钟频率2.外围电路的集成化3.优化软件设计，充分利用睡眠方式3.8.3存储器的低功耗设计1.HCMOS存储器2.采用维持工作方式3.8.4电源的低功耗设计1.电源的分类及特点（1）线性稳压电源（2）开关稳压电源（3）电荷泵电源3.8.4电源的低功