医用电子仪器3.ppt

1、,第三章：信号放大,各种生物信号都属于低频的微弱自然信号，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。各种生物电放大器的结构、性能等都成为生物医学电子学中的主要研究内容。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。,1、掌握基本差动放大器和同向并联结构放大器的电路分析方法* 2、掌握光电隔离电路的分析方法* 3、掌握基本滤波器电路的分析方法,一 基本要求 高输入阻抗 高共模抑制比 低噪声、低漂移 设置保护电路,1 生物电放大器前置级原理,电极与人体接触的阻抗与电极安放位置、电极本身物理状况有关,信号源，电极与人体接触阻抗是信号频率的函数,电极阻抗与电流密

2、度大小有关,电极阻抗和皮肤压力有关，和导电膏离子浓度有关,如果放大器输入阻抗不够高（与源阻抗相比），就会造成信号低频分量的幅度减少，产生低频失真。,信号源阻抗与生理状况有关,（一）高输入阻抗,Us-生物信号电压； RT1，RT2-人体电阻，数十欧姆至数百欧姆； RS1，RS2-电极与皮肤接触电阻，数千欧姆至150K，与皮肤的干湿，清洁程度以及皮肤角质层的厚薄有关； CS1，CS2-电极与皮肤之间的分布电容，数皮法至数十皮法； C1，C2-信号线对地电容，长1m的电缆线约数十皮法; RL1，RL2-信号线和放大器输入保护电阻，通常小于30K； Ri-放大器输入电阻；,设放大器的差模增益为Ad，输

3、出电压为UO。,如果Zs的值从2变化到150K时，在Zi1M时，由公式得到Ad的不稳定波动为12.8%；而在Zi5M时， Ad的不稳定波动下降为2.8%。,放大器对生物信号的电压增益,电极,几种体表电位测量时输入阻抗指标,（二）高共模抑制比,为了抑制人体所携带的工频干扰及所测量的参数外的其他生理作用的干扰，须选用差动放大形式。因此，CMRR值是放大器的主要指标。,值得注意的是：放大器的实际共模抑制抑制能力受 到放大器前边电极系统的影响。 通过两个电极提取生物电位时，等效源阻抗一般： Zs1，Zs2不完全相等。 Zs1与Zs2的数值大小主要与下列因素有关： 人体汗腺分泌情况； 皮肤清洁情况有关；

4、 电极、皮肤接触电阻； 电极本身物理状态。,输入阻抗与共模抑制比,高CMRR 高Ri？,设Ucm为共模干扰电压，则放大器输入端A、B两点的电压分别为：,则共模电压转化为差模电压UA-UB,通常ZiZs1（Zs2），所以：,低频生物电信号特点： 1、幅值低（微弱信号），仅在微伏，毫伏级； 2、高阻抗源，本身带来相当高的热噪声（输入信号质量差）； 3、具有十分低的频率成分。,设计要求： 1、低噪声前置放大级：（1）正确设计放大器的增益分配，在前置级的噪声系数较小时，可以获得良好的低噪声性能。（2）采用严格的装配工艺，对前置级电路加以特殊保护。 2、低漂移设计：采用差动输入电路形式，利用电路的对称结

5、构并对元器件参数进行严格挑选，来有效地抑制放大器的温度变化造成的零点漂移。 3、改善直流放大器的低漂移性能：用调制式直流放大器把直流信号转变成交流信号，来放大微伏量级的直流信号。 4、复零信号设置：在前置级设置复零信号，以保持测量连续进行。,（三）低噪声低漂移,（四）设置保护电路,人体安全保护电路 放大器输入保护电路 校准电路,二 差动放大器的分析方法,分析参数 共模抑制能力 输入阻抗,是否可以用一个基本的集成运算放大器（即一个基本的差动放大器）来构成生物电放大器的前置级？,方法：从一个简单的基本差动放大电路的共模抑制能力，输入阻抗的分析入手，研究差动放大电路共模抑制比的诸影响因素，以及如何提

6、高放大电路的输入阻抗。,1. 共模抑制比（CMRR）,线性集成器件构成的差动放大电路。两输入端信号ui1和ui2由共模电压uic和差模信号uid组成，其中 ：,满足无共模输出 平衡对称要求,得出：,以上为理想情况下所得,实际中外回 路不可能达到完全的对称平衡.,共模抑制比（CMRR）,定义由外电路电阻匹配精度所限定的放大器的共模抑制比为CMRRR， 所用的集成器件本身的共模抑制比为CMRRD， 则整个放大器的共模抑制比CMRR将取决于CMRRR和CMRRD。,设各电阻的匹配误差分别为：,A. 电阻失配共模抑制比CMRRR ：,由外电路电阻匹配精度限定的放大器的共模抑制比为：,由公式可知，放大器

7、的共模增益为：,共模增益简化为：,共模增益Ac为共模输出电压与共模输入电压的比：,B. 器件本身的共模抑制比CMRRD ：,为了研究器件本身的共模抑制比为CMRRD对整个放大器的CMRR的影响，须首先推导由于CMRRD的存在所产生的共模输出电压。,由共模抑制比的定义：CMRRD为放大器开环差动增益Ad与共模增益Ac之比：,由于CMRRD不为无穷大，引起共模输出电压,共模输出电压uoc折合到放大器输入端得共模误差电压,共模输入电压因为转化成差模电压而形成共模干扰电压。所以，共模输出Uoc实际是由CMRRD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Uic，它与差动信号一起被放大Ad倍

8、。,由上面的分析可知，由外回路电阻失配和器件本身的CMRRD有限，在放大电路输出端产生的共模误差电压总共为 ：,则总共模增益为：,整个放大电路总的总共模抑制比CMRR为：,1 由电阻失配所造成的CMRRR,影响差动放大器共模抑制能力的因素,2 器件本身共模抑制比CMRRD,例题,差动放大器电路所用的IC器件的共模抑制比CMRRD=100dB，放大电路闭环差动增益Ad=20，电阻误差=0.1%，求放大器的总共模抑制比。当Ad=1时，放大器的总共模抑制比又是多少？,结论,在同时考虑电阻失配和器件本身的CMRRD的影响时，放大器总的CMRR将进一步下降 差动放大器的共模抑制能力受到放大电路闭环增益、

9、外电路电阻匹配精度以及放大器本身共模抑制比等因素影响 差动放大器的输入阻抗 Ri=2R1,基本差动放大器这一电 路形式不能满足生物 电放大器前置级高 输入阻抗要求的,三 差动放大应用电路,基本差动放大电路输入电阻不够高的根本原因为：差动输入电压是从同相端和反向端同时加入的。 解决方法（提高生物电放大器前置级的输入阻抗）： 方案一：是把差动输入信号都从同相侧送入，采用同相并联结构。 方案二：是在差动放大电路前面增加一级缓冲级（同相电压跟随器），实现阻抗变换。,（一）同相并联结构的前置放大电路,第一级放大电路输出电压：,输出电压无共模成分，无需外电路电阻有任何匹配,A1，A2组成同相并联输入第一级

10、放大，以提高放大器输入阻抗。 A3为差动放大作为放大器第二级。,这种并联结构的电路，能方便的实现增益的调节。,第一级电路具有完全对称形式，这种对称结构有利于克服失调、漂移的影响。,当A1，A2共模抑制比为有限值时，在第一级存在共模误差电压输出：,由此可见，第一级放大电路的共模抑制能力取决于运放器件A1，A2本身的共模抑制比的差异。,为了使第一级放大电路获得高共模抑制比，A1，A2器件本身的CMRR1和CMRR2数值是否高并不重要，重要的是他们的对称性。,仅仅用A1，A2 构成前置级是不足的，如果不考虑这一级共模电压的转化，A1，A2的输出端就存在于输入端相同的共模电压。这样，共模电压在输出端占

11、用了一定的工作范围，致使差动信号的有效工作范围减小。,为了切断共模电压在电路中的传递，最简单有效的方法是在A1，A2并联电路的后面接入一级差动放大。,两级放大器差动增益,两级放大器共模抑制比由两级共模误差决定,当严格挑选A1,A2放大器共模抑制比,放大器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。,结论,第一级放大电路的共模抑制比能力取决于运放器件A1、A2本身共模抑制比的差异 为消除因CMRR1、CMRR2不为无穷大而造成A1、A2输出端有与输入端相同的共模电压，故应在A1、A2输出端接一级差动放大，以消除共模电压在电路中的传递 总的共模抑制比：A3运放器件的共模抑制比；差动

12、放大级的闭环增益；RF,R1电阻的匹配精度；同相并联的第一级差动增益。,同相并联差动 放大器总共模抑制比主 要取决于第一级的差动增益及 第二级的共模抑制能力,例题,如图所示为同相并联结构的ECG前置级实用电路，所用器件的共模抑制比均为100dB。输入回路中两电极阻抗分别为20k、23k。放大器输入阻抗实际有80M。放大器中所用电阻的精度=0.1，其他参数如图所示。求包括电极系统在内的放大电路的总共模抑制比。,同相并联差动结构电路前置级的设计,1器件选择 通过测量，确定共模抑制比严格对称的A1、A2（通常相差不应超过0.5dB）和高共模抑制比参数的A3（通常大100dB）。,2 第二级放大器电阻

13、应该精确匹配 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。通常用精密电桥选择高精度、高稳定性电阻，先确定R1，再由Ad2 的设计值确定RF(下支路的RF选电位器)。,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。 在前置级增益确定之后，Ad1、Ad2互相制约。但是Ad1 值取得较高一些，是有利于总的共模抑制能力的提高的。,（二）同相串联结构的前置放大电路,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，A1的输出uo1和uo2一起送入，从A2获得单端输出，故称之为串联结构。,为使共模增益为0，外电路应满足：

14、,此时，闭环增益为,此电路共模抑制比应由电阻匹配共模抑制比CMRRR和运放自身共模抑制比CMRRD决定,由于CMRR1不为无穷大，在A1的输出端形成共模误差电压输出为：,A2将此共模电压放大 倍，在A2的输出端：,由CMRR2不为无穷大引起在A2输出端得共模误差电压为：,由电阻失配共模输出为：,放大器总的共模抑制比为：,带缓冲级的差动放大器分析方法：,（二）由专用仪器放大器构成的前置放大器,AD公司仪表放大器系列AD620系列， 德州仪器仪表放大器系列INA118系列,精密仪表放大器AD620,屏蔽驱动 浮地跟踪 右腿驱动,四 前置级共模抑制能力提高的措施,导联线分布电容,（一）屏蔽驱动,由于

15、导联引线用屏蔽电缆，信号通过电缆传输时，在信号线和电缆屏蔽层之间将存在可观的分布电容。屏蔽层接地时，分布电容变为放大器输入端对地的寄生电容C1，C2。,两根导联线的分布电容不可能是完全相等的，加之电极阻抗Rs的不平衡，则造成共模电压不等量衰减，使放大器的CMRR下降。,对于共模电压在输入端造成的差模转化，即使放大器的共模抑制比为无穷大，也必将产生共模误差输出。这是由于这种阻抗的不对称，导致了包括输入回路在内的整个放大系统的共模抑制能力降低。,思想方法：取出放大电路的共模电压用以驱动屏蔽层，使C1，C2的端电压保持不变，对共模电压不产生分流，产生在共模电压作用下电缆屏蔽层分布电容不复存在的等效效

16、果。 措施：导联线的屏蔽层不接地，而接到与共模输入信号相等的电位点上，则共模电压就能不衰减的传送到差动放大器输入端，从而不会产生共模量不等量衰减形成的共模误差。,屏蔽驱动电路,屏蔽驱动的目的是使引线屏蔽层分布电容的两端电压保持相等,A1、A2构成缓冲级，其输出分别为：,A1、A2输出电压的平均值Uic，经缓冲放大器A3驱动屏蔽层，可以消除共模电压由C1、C2 引起的不均衡衰减。,（二）浮地跟踪,目的：,减少共模输入在输出端造成的误差。（实际等于提高了放大器的共模抑制能力）,把输入级的接地端浮置并跟踪共模电压。（相当于器件的偏置电压都跟踪共模输入电压）,方法：,结果：,共模电压不能随信号一起被放

17、大，从而放大器输出端产生的共模误差电压便被大大削弱。（就相当于提高了放大器的共模抑制能力）,浮地跟踪电路,浮地跟踪电路,结构：,A3不但驱动输入导联线的屏蔽层，而且输出端与A1，A2的正，负电源的公共端相连接，使正负电源浮置起来。,分析：,如果A3具有理想特性，则：,正、负电源电压的涨落幅度共模输入电压的大小,虽然共模输入电压照样加在A1、A2的同相端，但却因放大器本身电源对共模输入信号的跟踪作用，使其影响大大削弱。即使A1、A2的参数不完全对称，但由于有效共模电压减小了，转化为差动而形成的误差电压也就很小了，这就相当于提高了前置级的共模抑制能力。,浮地跟踪电路,A1，A2共模误差电压 降低为

18、,（三）右腿驱动电路,等效电路,原理：右腿不直接接地，而是接到辅助放大器A3 的输出端。从两电阻Ra结点检出共模电压，它经 辅助的反相放大器放大后，再通过电阻R0反馈到 右腿。,好处：人体的位移电流不再流入地，而是流向 R0 和辅助放大器的输出端。,R0 的安全保护作用：当病人和地之间出现很高电压时，辅助放大器A3饱和，右腿驱动电路不起作用， A3 等效于接地。,为使Ucm尽可能小可增大2RF/Ra,由AD620构成的心电前置放大电路,右腿驱动和屏蔽驱动,由INA118构成的心电前置放大电路,右腿驱动,屏蔽驱动,第二节 隔离级设计,目的：,为了人体的安全，通常对人体生物电信号测量技术采用浮地形

19、式，以达到人体与电气的隔离。,浮地优点：,（1） 保障人体的绝对安全；,（2） 消除了地线中的干扰电流。,浮地概念,信号在传递的过程中，不是利用一个公共的接地点逐级地往下面传送（如阻容耦合、直接耦合等），而是利用诸如电磁耦合或光电耦合等隔离技术，信号从浮地部分传递到接地部分，两部分之间没有电路上的直接联系,浮地电气隔离的实现：,电磁耦合（变压器） 光电耦合（光电耦合器）,浮地和接地：,浮地为浮置部分电路的等电位点，用相应的符号表示；浮置部分由浮置电源供电，接地部分由工频市电供电。,隔离级设计,一 光电耦合,优点： 重量轻， 应用电路结构简单， 成本低， 良好的线性， 一定的转换速度。 实现与TTL电路的兼容性设计,结构：一个作为发送辐射部件的发光二极管， 一个作为辐射探测器的光电二极管或光电晶体管 。,光电耦合,转移系数：输出级电流/输入级电流,光耦器件转移特性,ECG-6511前置放大电路,（1）静态平衡 初始状态：输入信号为零,Ii=0，A点为虚地点，B点呈负电位，有