Chapter6 生理类仪器设计基础(2)new

第六章

生理类仪器设计基础高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声、低漂移设置保护电路等。6.2.3前置放大器基本要求-高输入阻抗生物信号是高内阻的弱信号源电极提取时，呈不稳定高内阻源特性内阻因人而异，且因生理状况而异与电极的位置有关源阻抗不稳定，导致放大器电压增益不稳定----影响测量精度和稳定性消除信号源高内阻的方法：采用更高输入阻抗的放大器----否则会在输出端产生干扰前置放大器US=生物信号电压RT1,RT2=人体电阻，几百～几十欧姆RS1,RS2=电极与皮肤的接触电阻，几K~150K欧姆E1,E2=电极极化电压，几十～几百mVCS1,CS2=电极与皮肤之间的分布电容，几～几十pFRC1,RC2=信号线和放大器输入保护电阻，<30K欧姆Ri=放大器输入电阻C1,C2=信号线对地电容RC1粗略估计放大器输入端信号源内阻Zs1、Zs2约100k。如果放大器输入阻抗为10M，源内阻与放大器输入阻抗相比为1:100。上述各种因素造成的失真和误差可减小到1%。前置放大器讨论：如果信号源内阻从2KΩ变化到150KΩ，在Zi＝1MΩ的情况下，Ad’的不稳定性为12.8%在Zi＝5MΩ的情况下：Ad’的不稳定性下降为2.8%放大器的输入阻抗越高，测量稳定性越高；高输入阻抗也是高共模抑制比的必要条件。讨论：

Zs1和Zs2相差5kΩ，则对于10mV的共模干扰电压，若打算限制在10μV以下，求放大器的输入阻抗进一步说明了，对生物信号放大器，需要高的输入阻抗前置放大器基本要求-高共模抑制比为了抑制人体携带的工频干扰及其它生活干扰，需高CMRR（60~80dB）源阻抗Zs1与Zs2的不平衡会造成输入转化为差模输入，造成干扰。由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，为了便于分析，常将其理想化——理想运放。理想运放的条件放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。运放工作在线性区的特点集成运放虚短路虚开路集成运放输入阻抗差分输入阻抗，共模输入阻抗共模抑制比CMRR=Ad/Ac偏置电流0输入失调电压为0输入噪声Vni=Vno/G反相比例运算放大器_++R2R1RPuiuoi1i2输入电阻Ri=R1同相比例运算放大器_++R2R1RPuiuo输入电阻高差动放大电路差动放大电路:

信号作为极性相反的差模信号被放大。而干扰作为共模信号被抑制。生物电放大器前置级通常采用差动放大电路结构。差动放大器差动放大器差动放大器实际情况电阻值有误差外回路不能达到完全对称平衡Uoc很小，但不为0，CMRR也不为无穷大定义CMRRR：外电路电阻匹配精度所限定的放大器共模抑制比CMRRD:集成器件本身的共模抑制比分析放大器的共模增益

——电阻精度所限定的共模抑制比CMRRR

分析放大器的共模增益小，共模增益才小由电阻精度限定的放大器共模抑制比为例如：Ad=1000＝0.1,CMRRR为80dB数量级＝0.01,CMRRR为100dB数量级结论CMRRR与电阻精度有关，与放大器闭环差模增益Ad有关。越小，Ad越大，则放大器共模抑制比越大。分析放大器的共模增益

——集成器件本身的共模抑制比CMRRD实际运放的CMRR受集成器件CMRRD

的影响对差动放大器影响的推导：CMRRD

存在必产生共模输出电压。由共模抑制比定义,CMRRD为放大器差动增益A’d=Ad与共模增益A’c之比,即按定义共模增益Ac’为共模输出电压与共模输入电压之比,即共模输出电压Uoc’可用一折合到放大器输入端的共模误差电压(即Uic’)表示为即公式表明：由于运放大本身CMRRD≠∞，共模输出Uoc’可等效为一个输入端共模误差电压,即等效的非有用信号的差模电压Uic’共模误差电压Uic’将按差模增益被放大，但它不是信号而是类似干扰的误差，称共模误差电压。共模误差电压Uic’是由于器件本身CMRRD有限而产生。可按等效原理计算CMRRD等效变换过程：有共模输入，差动放大器有限CMRRD，等效转换为共模误差电压Uic’结论：上述转换可以推广：对任何一种器件，只要CMRR有限，都可以理解为该器件输入有一个共模转化成差模而形成共模误差电压Uic’。Uic’的计算：为共模输入与器件共模抑制比的比值。Uic’的作用：可同差模一样进行放大。差动放大器共模抑制比计算差动放大器CMRR：由外回路电阻精度引起的CMRRR和器件本身CMRRD两部分组成在差动放大电路输出端产生总的共模输出电压为AcR为仅考虑电阻的共模增益,Ad为差模增益差动放大电路总共模增益为差动放大电路总共模抑制比CMRR是例1．已知差动放大电路所用的IC器件共模抑制比CMRRD=100dB,放大电路闭环差动增益Ad=20,电阻误差δ=±0.1%。求差动放大电路的共模抑制比。当Ad=1时放大器的总共模抑制比又是多少？解：因电阻精度的共模抑制比为放大器的总共模抑制比结论考虑失配和器件本身的共模抑制比时，放大器的CMRR进一步下降CMRR受三个因素的影响放大器闭环增益外电路匹配精度放大器件本身的CMRRD差动放大器的输入阻抗Ri=2R1同相并联差动放大输入阻抗可达到10M第一级：A1，A2的作用是提高输入阻抗，对称结构可抑制共模干扰第二级：A3实现差动放大测量放大器的分析测量放大器的评价优点第一级输出回路里不产生共模电流无须考虑外电路电阻匹配可方便增益调节结构对称，有利于克服失调、漂移的影响测量放大器的评价缺点A1，A2各自的CMRRD的差异会造成第一级CMRR12的下降第一级电路CMRR12取决A1和A2本身共模抑制比的差异。为使第一级获得高共模抑制比，A1,A2器件CMRR1和CMRR2的数值是否高并不重要，重要的是它们的对称性。（实际使用时同相并联电路后必须有一级差动放大，消除双端共模电压。）测量放大器的技术指标例2：图示为一同相并联结构的ECG前置级实用电路，所用器件共模抑制比均为100dB。输入回路中两电极阻抗分别为20kΩ、23kΩ。放大器输入阻抗实际有80MΩ，放大器中所用电阻精度=0.1%,其它参数如图所示。求包括电极系统在内的放大电路的总共模抑制比。共模误差电压由输入回路电阻、第一级、第二级放大电路共同产生的。电极阻抗不平衡，将造成共模电压向差模电压的转化。如果严格选择A1、A2共模抑制比对称性；则第一级共模抑制比CMRR12可视为∞,它不在输出端产生共模误差只需计算电极阻抗不平衡引起共模输出Uoc’：和A3组成的第二级共模抑制比有限产生共模输出Uoc”。其中总差模增益：Ad=Ad1Ad2=55对于差动放大器A3：CMRRR=（1+Ad2）/4

=(1+5)/(4×10-3)=1500CMRRD=100(dB)=105差动放大器总共模抑制比由输入回路和第二级放大电路共同在输出端产生共模误差为：整个电路共模增益为：总共模抑制比为由于电极阻抗不平衡造成总共模抑制比下降了4dB。生物电放大器前置级设计步骤为：(1)器件选择:通过测量,确定A1,A2共模抑制比严格对称（通常相差不应超过0.5dB）和A3共模抑制比应该很高（通常大于100dB）(2)电阻精度δ:

第二级差动放大电路中电阻的匹配精度是主要的。（典型设计中电阻精度δ从0．2％提高到0．1％时，对于两级差模增益的各种不同分配，总共模抑制比都有6dB的改善。）(3)前置级增益Ad1:前置级增益确定后，Ad1,Ad2互相制约，但Ad1值取得较高一些，是有利于总共摸抑制能力提高的。前置级共模抑制能力改善的方法对于实际生物电信号前置级放大器，除上述方法外，还通过其它电路设计方法，使放大器获得更高的共模抑制能力例如共模屏蔽驱动，共模驱动等屏蔽层驱动引线屏蔽层与芯线间的电容Cs1,Cs2。大约为200-300pF,在50Hz下容抗为几个兆欧，与放大器输入阻抗大小接近。若接地，Cs1,Cs2的分流效应明显减小放大器输入阻抗。此外，分流效应不均衡，将使得放大器CMRR大大下降。若不接地，而用取自放大器的反馈共模电压来驱动引线屏蔽层。则Cs1,Cs2两端均承受共模电压Uc，结果使Cs1,Cs2对共模电压不产生分流效应。屏蔽层驱动屏蔽层驱动A1A3A2用一简单电阻网络R-R接在A1、A2输出端，在此网络中点取出A1，A2输出电压的平均值，这一平均电压即等于Uic。经过缓冲放大器A3驱动屏蔽层，从而消除共模电压由C1、C2引起的不均衡衰减。使引线屏蔽层分布电容两端电压保持相等。右腿驱动由于接地阻抗ZG的存在，产生共模电压Uc如果设法将输入至心电放大器的共模电压倒相后反馈至右腿，以抵消右腿上的共模电压Uc，结果可消除Uc。四个电极的平均电压，即人体共模干扰电压。通过反相，加到人体右腿。与人体共模干扰电压相抵消。心电前置放大电路（INA118）心电前置放大电路（AD620）隔离级设计目的：实现人体与电气隔离意义：保证人体绝对安全消除地线中的干扰电流方式变压器耦合光电耦合光电耦合光电耦合器件光电耦合二极管光电耦合三极管工作频率<100KHz（三极管）；<1MHz（二极管）电磁耦合2.电磁耦合即采用变压器耦合电磁耦合说明调制：因变压器不能放大直流或低频信号，因此对直流需要调制；浮地放大器的直流电源由载波发生器（几十KHz~几百KHz），隔离放大器通过整流滤波获得优缺点线性度CMRR比光电耦合的好但是频率响应不如光电耦合的好前置放大器还需要：低噪声低漂移合适的频带宽度和动态范围。低噪声高阻抗源本身就带有可观的热噪声，使输入信号质量很差。放大器的低噪声性能主要取决于前置级。按照低噪声原则设计：多级放大器总的噪声系数主要取决于第一级。一般来说，在满足其他条件的情况下，第一级放大器设计时增益应尽可能提高。还要采用严格的装配工艺。直流放大器零点漂移生物电信号中有频率很低的成分，因此要用直流放大器。直流放大器的特点是：无论信号源与放大器的耦合，放大器级间耦合，放大器与负载的耦合，都采用直接耦合，而不是电容耦合。因此，将输入短对地短路时候，放大器输出端电压也不为0，而有缓慢变化。叫直流放大器的零点漂移。温度漂移引起零点漂移的因素有：电源电压的变化，环境温度的改变，元件的老化。以温度变化所引起的零点漂移最为突出。称为温漂。减小温漂的措施电路输入级用差动式。温漂作为共模信号被抑制。元器件的挑选。安装工艺。参数互相配合。前一级和后一级温漂方向可以相反，互相抵消。引入共模负反馈。不仅能抑制温度漂移，对其他共模干扰也可抑制。部分生物电放大器的参数

ECGEEGVEPEMG输入阻抗>1M>5M>200M>100M输入短路噪声<10uV<3uV<0.7uV<8uV共模抑制比>60dB>80dB>100dB>80dB频带0.05~250Hz0.5~70Hz0.5~3KHz2~10KHzECG放大电路1.按信号性质分类3.按电路功能分类:

低通滤波器；高通滤波器；带通滤波器；带阻滤波器2.按所用元件分类模拟滤波器和数字滤波器无源滤波器和有源滤波器4.按阶数分类:

一阶，二阶…

高阶滤波器传递函数：幅频特性相频特性滤波器传递函数的定义生理放大器滤波电路设计理想滤波器LPFBEFHPFBPF无源滤波器和有源滤波器无源滤波器：仅由电阻、电容、电感等无源元器件组成，不需外部供电电源适用于大功率信号的滤波适用于高频信号的滤波（>10MHz）稳定性好，线性度好有源滤波器：使用有源元器件，如运放避免使用电感（在低频滤波应用中，体积大且易拾取电磁干扰信号可以通过调整电阻调整滤波器响应易于前后级隔离，不受干扰受运放自身频率响应限制的影响RCR1.一阶RC低通滤波器(无源)传递函数幅频特性一.低通滤波器0