第三章 信号放大与处理-4.

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 3.1.5 微电极放大器微电极放大器 微电极是用来微电极是用来拾取细胞膜内外电位信号拾取细胞膜内外电位信号，包括静息电位，包括静息电位与动作电位，简化等效电路如图。与动作电位，简化等效电路如图。其中其中Rs对于金属微电极，是电化学极化电阻对于金属微电极，是电化学极化电阻 对于玻璃微电极，是玻璃管内电解液电阻对于玻璃微电极，是玻璃管内电解液电阻 Cs是

2、微电极与细胞液、屏蔽线的分布电容之和是微电极与细胞液、屏蔽线的分布电容之和 E为电极平衡电位为电极平衡电位由于微电极面积极小，所以由于微电极面积极小，所以Rs很大，很大，通常在几十通常在几十M以上。以上。若放大器输出为若放大器输出为vo=Avi ，则，则vo与膜电位与膜电位vs的传输函数为的传输函数为生物医学电子学转折频率转折频率fo为为l(2RsCs），由于细胞膜动作电位高频成分可达，由于细胞膜动作电位高频成分可达10kHz，而，而fo因因RsCs较大而远小于较大而远小于10kHz，所以放大器输出，所以放大器输出vo将将产生高频失真。由于放大器输入端与产生高频失真。由于放大器输入端与Cs并联

3、，若放大器等效输并联，若放大器等效输入电容入电容Ci为负值，则总电容变小，转折频率为负值，则总电容变小，转折频率fo升高，可改善高升高，可改善高频响应，避免高频失真。这种放大器称作频响应，避免高频失真。这种放大器称作负输入电容放大器负输入电容放大器，方法是采用方法是采用电容正反馈技术电容正反馈技术，原理如图，下图是等效的。，原理如图，下图是等效的。 呈一阶低通特性呈一阶低通特性生物医学电子学其中其中Ci= (1-Af)Cf，只要，只要Af 1，则，则Ci为负值，即放大器为负值，即放大器等等效输入电容为负值效输入电容为负值。等效电路如图。等效电路如图生物医学电子学传递函数传递函数因为因为Ci为负

4、值，所以为负值，所以C=Cs+CiCs，即转折频率，即转折频率fo = l2RsC增增加，理想情况加，理想情况C=0，H为常数，实际使用时使为常数，实际使用时使fo大于大于10kHz。若反馈电容若反馈电容Cf不直接与放大器输出端相联，而是通过一电位器，不直接与放大器输出端相联，而是通过一电位器，如图，如图，则则Ci=(1-kAf)Cf，通过调节电位器的分压比，通过调节电位器的分压比k，可调整中和量，可调整中和量，使使 Ci 略小于略小于Cs，避免过调引起振荡。，避免过调引起振荡。生物医学电子学微电极放大器的三个要求：微电极放大器的三个要求：1、展宽频带，改善放大器的高频响应。放大器采用正反馈、

5、展宽频带，改善放大器的高频响应。放大器采用正反馈展宽了频带，但也增加了不稳定性，易产生自激，以及噪声展宽了频带，但也增加了不稳定性，易产生自激，以及噪声增加。由于信号幅度较大增加。由于信号幅度较大(几十几十mV)信噪比可以接受。信噪比可以接受。2、满足、满足1000M以上的输入阻抗，以保证以上的输入阻抗，以保证1%的精度。的精度。3、很小的漏电流，以保证流过微电极的漏电流最大值不致、很小的漏电流，以保证流过微电极的漏电流最大值不致严重地影响细胞的性质严重地影响细胞的性质(如引起细胞兴奋）。如引起细胞兴奋）。微电极放大器采用精心设计的微电极放大器采用精心设计的结型场效应管结型场效应管作为输入级。

6、作为输入级。生物医学电子学3.1.6 调制调制(斩波稳零斩波稳零)型放大器型放大器 对于直流或缓慢变化的信号，由于信号频率与放大器漂移对于直流或缓慢变化的信号，由于信号频率与放大器漂移的频率在同一范围内，因此不能用滤波的办法加以消除，在的频率在同一范围内，因此不能用滤波的办法加以消除，在放大器输出端，信号与漂移叠加在一起造成测量误差。放大器输出端，信号与漂移叠加在一起造成测量误差。为了保证测量精度，要求放大器漂移比信号幅度小得多。例为了保证测量精度，要求放大器漂移比信号幅度小得多。例如信号为几十微伏，则放大器漂移就应小于零点几微伏。如信号为几十微伏，则放大器漂移就应小于零点几微伏。其中其中An

7、为第为第n级放大器增益，级放大器增益，A为总增益，为总增益，f (t)为输入信号，为输入信号，fn(t)为放为放大器第大器第n级输出的漂移级输出的漂移总的输出总的输出生物医学电子学一、调制型放大器一、调制型放大器 制作这么低漂移的放大器是相当困难的，解决这个问题制作这么低漂移的放大器是相当困难的，解决这个问题的方法之一是采用的方法之一是采用调制型放大器调制型放大器。1、调制、调制 将低频信号将低频信号f (t)搬移到搬移到f (t) coswt的高频信号，称作的高频信号，称作调制调制。将。将f (t)与一高频正弦波相乘，输出信号频率范围为与一高频正弦波相乘，输出信号频率范围为-F到到+F ，其

8、中，其中F为为f (t)的最高频率。的最高频率。 然后将高频信号进行放大，这时由于放大器的漂移然后将高频信号进行放大，这时由于放大器的漂移fn(t) 与高与高频信号不在同一频率范围，因此可用滤波方法消除。频信号不在同一频率范围，因此可用滤波方法消除。2、解调、解调 利用乘法器将高频信号移到低频信号，称作利用乘法器将高频信号移到低频信号，称作解调解调。生物医学电子学再用低通滤波器恢复放大了的信号再用低通滤波器恢复放大了的信号A/2 f (t) ，可有效克服放，可有效克服放大器漂移的干扰。大器漂移的干扰。 通常调制型放大器的调制器用通常调制型放大器的调制器用斩波器斩波器来实现，即用角频来实现，即用

9、角频率为率为的方波信号代替的方波信号代替coswt，用开关即可实现，并可将其集，用开关即可实现，并可将其集成，称作成，称作斩波稳零运算放大器斩波稳零运算放大器。具有性能稳定、增益高、失。具有性能稳定、增益高、失调小，温漂低、体积小、使用方便等特点。调小，温漂低、体积小、使用方便等特点。生物医学电子学图中的图中的 为为f (t) 的带限信号（指信号的双边频谱在的带限信号（指信号的双边频谱在|f|W范范围内不全为围内不全为0，而在其它区间为，而在其它区间为0，其中，其中f为频率，为频率，W为一常为一常数）数） ， f a(t)为为 与方波信号的乘积，方波信号与方波信号的乘积，方波信号H（t）)(t

10、f)(tf用用C1滤掉滤掉fa(t)中的低频分量中的低频分量 ，放大器放大高频分量，放大器放大高频分量，用用C2滤掉放大器漂移滤掉放大器漂移,使使fb(t)中仅含高频分量，再解调中仅含高频分量，再解调 ，输出已不包含放大器漂移，因而实现了高增益、低漂移。输出已不包含放大器漂移，因而实现了高增益、低漂移。 )(21tf)(tfA生物医学电子学二、动态校零技术二、动态校零技术 解决放大器漂移的另一种方法是采用动态校零技术。解决放大器漂移的另一种方法是采用动态校零技术。 基本思想基本思想：假定放大器输入端短路时的输出：假定放大器输入端短路时的输出(失调电压失调电压)是一个缓慢变化的连续变量。因此对同

11、一个放大器，只要是一个缓慢变化的连续变量。因此对同一个放大器，只要 t 足够小，它在足够小，它在 t 时刻和时刻和 t+t 时刻的零偏压是相等的。时刻的零偏压是相等的。 在在 t 时刻将放大器输入端短路，测出零偏压时刻将放大器输入端短路，测出零偏压vo(t)，再在，再在t+t 时刻测量含有零偏压的输出时刻测量含有零偏压的输出 v(t+t)，让，让 即用即用 t 时刻的零偏压抵消下一个时刻的零偏压，保证放大器时刻的零偏压抵消下一个时刻的零偏压，保证放大器输出无零偏压，这就是输出无零偏压，这就是动态校零放大器的原理动态校零放大器的原理。具体设计具体设计：利用时钟脉冲控制整个电路，将放大器的工作过：

12、利用时钟脉冲控制整个电路，将放大器的工作过程分割成两个节拍，第一节拍放大器误差检测与寄存，第二程分割成两个节拍，第一节拍放大器误差检测与寄存，第二节拍校零与放大。节拍校零与放大。生物医学电子学动态校零技术使集成运动态校零技术使集成运放进入了第四代，右图放进入了第四代，右图为动态校零为动态校零CMOS运放运放ICL7650原理图。原理图。A1为主放大器，放大输入信号并输出，这个放大器具有较宽的为主放大器，放大输入信号并输出，这个放大器具有较宽的频带和较强的负载能力。它除了同相与反相两个输入端，同时频带和较强的负载能力。它除了同相与反相两个输入端，同时还设置了还设置了第三输入端第三输入端N1，其作

13、用与同相输入端相同，若从，其作用与同相输入端相同，若从N1加加入信号，将会在输出端得到放大的同相信号。入信号，将会在输出端得到放大的同相信号。 A2为调零放大器，用来降低主放大器的失调电压，不对外输出为调零放大器，用来降低主放大器的失调电压，不对外输出信号，作为辅助放大器。它除了普通运放的两个输入端外也有信号，作为辅助放大器。它除了普通运放的两个输入端外也有第三输入端第三输入端N2，N2是反相输入端，是反相输入端，Cl、C2为外接电容，起寄存为外接电容，起寄存失调电压的作用。失调电压的作用。生物医学电子学假设：假设： A01、A02分别为分别为A1、A2的差动放大倍数的差动放大倍数 A01、A

14、02分别为分别为N1、N2 输入时输入时A1、A2的放大倍数的放大倍数 vI01、vI02分别为分别为A1、A2等效输入失调电压等效输入失调电压1、在时钟第一节拍，、在时钟第一节拍，SA1、SA2闭合，闭合，SB1、SB2断开。断开。 A2输入端闭合，输入端闭合，vi 0，A2的输出电压的输出电压 只与只与A2失调电压有关，寄存失调电压有关，寄存在电容在电容C2中中生物医学电子学2、在时钟第二阶段，开关、在时钟第二阶段，开关SB闭合，闭合，SA断开，如图。输入信断开，如图。输入信号分两个通路进行放大：一部分从号分两个通路进行放大：一部分从A1输入端输入进行连续放输入端输入进行连续放大；另一部分

15、加到大；另一部分加到A2进行放大，此时进行放大，此时A2的输出电压为的输出电压为端端N2进入放大，引起的输进入放大，引起的输出电压为出电压为 由于由于SA2的断开，上半周期充入电容的断开，上半周期充入电容C2中的电压中的电压vc2从调零输入从调零输入A2输出端的总电压应为输出端的总电压应为两者之和两者之和生物医学电子学A2输出端的总电压输出端的总电压 因此，在时钟的后半周期，调零放大器因此，在时钟的后半周期，调零放大器A2的失调电压已被的失调电压已被全部消除。全部消除。 这个没有失调电压的这个没有失调电压的v02通过开关通过开关SB送入寄存电容送入寄存电容C1，同时，同时加到加到A1的同相调零

16、输入端的同相调零输入端N1进行放大。进行放大。生物医学电子学主放大器主放大器A1的输出电压的输出电压v01式中式中(A01+ A01A02)为整个放大器的增益，而且为整个放大器的增益，而且A01vI01为失调为失调电压引起的误差，折算到放大器输入端，便是等效的系统输电压引起的误差，折算到放大器输入端，便是等效的系统输入失调电压入失调电压vI0。生物医学电子学通常通常A01= A01，则，则因此，整个系统的失调电压因此，整个系统的失调电压vI0是放大器是放大器A1的失调电压的失调电压vI01的的1/A02(将将A1放大器的失调电压缩小了放大器的失调电压缩小了A02倍倍)。只要使调零放。只要使调零放大器大器A2有足够大的增益有足够大的增益A02，那么，那么vI0就非常小。就非常小。因此，动态校零放大器的特点是，即使电路内部各个放大环因此，动态校零放大器的特点是，即使电路内部各个放大