医用电子仪器4

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，输出电压为UO。

如果Zs的值从2变化到150KΩ时，在Zi＝1MΩ时，由公式得到A’d的不稳定波动为12.8%；而在Zi＝5MΩ时，A’d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

放大器名称参数名称

ECG-AmpEEG-AmpVEP-AmpEMG-Amp

输入阻抗

>1M

>5M

>200M

>100M输入端短路噪声（p-p）

≤10V≤3V≤0.7V≤8V共模抑制比

≥60dB≥80dB≥100dB≥80dB频带

0.05-250Hz0.5-70Hz0.5Hz-3kHz2Hz-10kHz

板电极片状或针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；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Zi>>Zs1（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.共模抑圈制比（CMR租R）定义由外电路弟电阻匹凳配精度所限定朗的放大洗器的共爸模抑制驾比为CMRRR，所用的集成器件能本身的共模雹抑制比缠为CMR叠RD，则整个阀放大器托的共模傲抑制比CMRR将取决烫于CMRRR和CMR饮RD。设各电阻拨的匹配误租差分别为廉：A.电阻失剃配共模缎抑制比CMRRR：由外电讲路电阻次匹配精恨度限定继的放大锈器的共弯模抑制导比为：由公式可毙知，放大搅器的共模腊增益为：共模增益惊简化为：共模增雄益A’c为共模冒输出电艇压与共渐模输入尽电压的雹比：B.器件本链身的共秧模抑制茧比CMR盛RD：为了研究床器件本身颈的共模抑证制比为CMR员RD对整个放星大器的CMR沸R的影响携，须首嚼先推导距由于CMR茅RD的存在所固产生的共模输敞出电压。由共模丘抑制比悦的定义性：CMRRD为放大器育开环差动矮增益A’d与共模宋增益A’c之比：由于CMRRD不为无权穷大，跟引起共逼模输出刺电压共模输出春电压uoc’折合到放尼大器输入蛇端得共模默误差电压共模输入猫电压因为转化成差萄模电压而形成共沿模干扰电浇压。所以药，共模输觉出Uoc实际是由CMRRD有限而产凶生的共模朴误差电压面，折合到庙输入端，染相当于一驻差模电压U‘ic，它与差酷动信号一绣起被放大Ad倍。由上面娘的分析孙可知，楼由外回浑路电阻柏失配和咳器件本姓身的CMR至RD有限，在消放大电路李输出端产应生的共模功误差电压蚁总共为马：则总共模雷增益为：整个放大画电路总的置总共模抑扫制比CMR麻R为：1由电阻笼失配所禁造成的CMR补RR影响差认动放大咐器共模沙抑制能居力的因笼素2器件本身慢共模抑制始比CMRRD例题差动放已大器电壮路所用局的IC器件的撞共模抑恶制比CMR明RD=100时dB，放大电搬路闭环差搁动增益Ad=超20，电阻误心差δ=±甩0.1蛾%，求放大缸器的总共归模抑制比兼。当Ad=谣1时，放大倍器的总共析模抑制比闷又是多少爱？结论在同时考盖虑电阻失品配和器件晓本身的CMR少RD的影响抖时，放停大器总取的CMR汽R将进一步裁下降差动放制大器的置共模抑霜制能力未受到放大电递路闭环嗓增益、照外电路慰电阻匹街配精度以及放款大器本炊身共模需抑制比们等因素范影响差动放喜大器的柄输入阻伟抗Ri=2R1基本差阶动放大诸器这一尿电路形式不墓能满足生蛛物电放大零器前置差级高输入阻踢抗要求宰的三差夏动放大稍应用电按路基本差期动放大演电路输吧入电阻寇不够高站的根本刑原因为县：差动言输入电跨压是从阵同相端性和反向而端同时架加入的输。解决方霞法（提影高生物味电放大办器前置叉级的输糟入阻抗味）：方案一象：是把男差动输辞入信号种都从同笛相侧送惯入，采写用同相悦并联结闲构。方案二：碌是在差动既放大电路醋前面增加葛一级缓冲坝级（同相悔电压跟随呢器），实畅现阻抗变偶换。（一）同已相并联结译构的前置团放大电路第一级峰放大电本路输出虎电压：输出电速压无共认模成分候，无需伯外电路突电阻有截任何匹绕配A1，A2组成同相执并联输入棕第一级放兼大，以提怪高放大器却输入阻抗避。A3为差动放唐大作为放古大器第二把级。这种并联跟结构的电辱路，能方尺便的实现芒增益的调野节。第一级芽电路具雷有完全拢对称形且式，这裳种对称园结构有额利于克舒服失调愧、漂移群的影响疑。当A1，A2共模抑兄制比为支有限值鹿时，在命第一级疑存在共毅模误差扯电压输类出：由此可见摘，第一级榆放大电路者的共模抑太制能力取柜决于运放器件A1，A2本身的恋共模抑救制比的蠢差异。为了使不第一级子放大电厨路获得娇高共模军抑制比僚，A1，A2器件本身做的CMR个R1和CMRR2数值是否阅高并不重会要，重要涛的是他们踢的对称性底。仅仅用A1，A2构成前劲置级是肝不足的慌，如果问不考虑以这一级灯共模电嘱压的转衡化，A1，A2的输出叛端就存拾在于输虽入端相日同的共既模电压三。这样物，共模贡电压在结输出端幼占用了南一定的租工作范仪围，致赵使差动捆信号的挑有效工崇作范围因减小。为了切断红共模电压良在电路中盾的传递，振最简单有蜂效的方法拒是在A1，A2并联电误路的后成面接入叠一级差蜜动放大籍。两级放员大器差豪动增益两级放蜜大器共禾模抑制奇比由两烂级共模碍误差决觉定当严格睬挑选A1,A2放大器共武模抑制比放大器共辟模抑制比腐主要取决咱于第一级赖的差动增凡益和第二栏级的共模健抑制能力殖。结论第一级浪放大电耽路的共煌模抑制剧比能力突取决于群运放器兴件A1、A2本身共模丧抑制比的幅差异为消除因CMRR1、CMR庄R2不为无厕穷大而稍造成A1、A2输出端有煎与输入端天相同的共赢模电压，输故应在A1、A2输出端接摇一级差动阁放大，以投消除共模道电压在电慢路中的传羡递总的共钥模抑制懒比：A3运放器件娃的共模抑奖制比；差弟动放大级肃的闭环增躁益；RF,R1电阻的匹姐配精度；腐同相并联轻的第一级好差动增益阳。同相并联钥差动放大器场总共模曲抑制比趟主要取决缘瑞于第一比级的差由动增益倦及第二级帜的共模莲抑制能寇力例题如图所茎示为同酷相并联汤结构的ECG前置级实意用电路，鸭所用器件末的共模抑协制比均为100应dB。输入门回路中表两电极侍阻抗分苹别为20k、23k。放大器隆输入阻抗竹实际有80M。放大器资中所用电跨阻的精度=0.诉1％，其叔他参数过如图所迁示。求匪包括电蔽极系统朵在内的储放大电尚路的总猜共模抑弦制比。同相并喷联差动欲结构电劫路

前奔置级的炒设计1器件选岛择通过测量悬，确定共专模抑制比爹严格对称很的A1、A2（通常相谋差不应超巷过0.5激dB）和高成共模抑躬制比参妄数的A3（通常饱大100样dB）。2第二级放促大器电阻预应该精确格匹配在影响化共模抑灾制能力拉的诸因飞素中，葱第二级勾差动放傅大电路虫中电阻临的匹配姓精度是友主要的广。通常朵用精密崇电桥选笔择高精亲度、高阳稳定性借电阻，先确定R1，再由Ad2的设计值院确定RF(下支路的RF选电位战器)。3前置级增漫益以及组毙成前置级域的两级放近大电路的踏增益分配检，都影响趣总的CMRR值。在前置级杰增益确定笔之后，Ad1、Ad2互相制写约。但愚是Ad1值取得较嗓高一些，修是有利于子总的共模捞抑制能力交的提高的皂。（二）才同相串矿联结构证的前置照放大电臂路与同相携并联差所动放大殃电路结惕构相比挣，少用尘了一个授运放器替件。差武动信号枯均由同座相端进僚入，A1的输出uo1和uo2一起送入团，从A2获得单汉端输出别，故称延之为串雁联结构肆。为使共模蛙增益为0，外电腔路应满挎足：此时，闭艰环增益为此电路共供模抑制比上应由电阻扯匹配共模符抑制比CMRRR和运放自沙身共模抑狂制比CMR将RD决定由于CMRR1不为无穷付大，在A1的输出青端形成糕共模误研差电压议输出为斗：A2将此共暗模电压铅放大磨倍，估在A2的输出规端：由CMR楚R2不为无穷柳大引起在A2输出端得昂共模误差敲电压为：由电阻系失配共术模输出沟为：放大器总体的共模抑温制比为：带缓冲惯级的差谷动放大赞器分析沉方法：（二）由糠专用仪器算放大器构镜成的前置阻放大器AD公司仪掉表放大觉器系列AD6壁20系列，德州仪详器仪表海放大器绝系列INA俩118系列精密仪表犬放大器AD6容20屏蔽驱哑动浮地跟费踪右腿驱俊动四前置级共深模抑制能傍力提高的顾措施导联线数分布电据容（一）屏能蔽驱动由于导联槐引线用屏蔽电播缆，信号蠢通过电侦缆传输温时，在附信号线甲和电缆厘屏蔽层各之间将辉存在可辰观的分允布电容代。屏蔽擦层接地央时，分布电钟容变为较放大器崇输入端牢对地的耍寄生电赴容C1，C2。两根导个联线的分布电容泉不可能是享完全相等苗的，加之轧电极阻步抗Rs的不平妖衡，则造成共妨模电压推不等量渐衰减，张使放大器的CMR欲R下降。对于共高模电压倦在输入白端造成旱的差模舅转化，定即使放种大器的推共模抑宏制比为酱无穷大叛，也必午将产生服共模误量差输出迎。这是变由于这锅种阻抗的不合对称，导致持了包括舒输入回司路在内醒的整个放大躁系统的共柴模抑制能伸力降低。思想方法：取出放斤大电路的饥共模电压吹用以驱动梦屏蔽层，使C1，C2的端电压晕保持不变，对共模娇电压不产牙生分流，继产生在共现模电压作阴用下电缆栋屏蔽层分加布电容不嚷复存在的虏等效效果统。措施：导联线渔的屏蔽层不苏接地，而接到与宝共模输澡入信号猛相等的阵电位点上，则匙共模电慎压就能蔬不衰减踩的传送缎到差动牛放大器阔输入端欢，从而姓不会产剑生共模质量不等轿量衰减异形成的叛共模误泛差。屏蔽驱动戏电路屏蔽驱动格的目的是董使引线屏陈蔽层分布萌电容的两站端电压保鞭持相等A1、A2构成缓赤冲级，伤其输出海分别为：A1、A2输出电聪压的平嚷均值Uic，经缓冲电放大器A3驱动屏蔽印层，可以球消除共模凑电压由C1、C2引起的踏不均衡及衰减。（二）浮弃地跟踪目的：减少共模撤输入在输秧出端造成亩的误差。聋（实际等俗于提高了魂放大器的街共模抑制浙能力）把输入距级的接羽地端浮蜻置并跟那踪共模软电压。便（相当蔬于器件互的偏置侧电压都胃跟踪共鲁模输入哪电压）方法：结果：共模电寒压不能尿随信号毅一起被郊放大，滔从而放倦大器输总出端产余生的共翅模误差捐电压便钩被大大升削弱。职（就相蚁当于提集高了放耕大器的恒共模抑叙制能力旗）浮地跟乡丰踪电路浮地跟踪劲电路结构：A3不但驱拦动输入蔽导联线魔的屏蔽饿层，而贿且输出捎端与A1，A2的正，膛负电源亮的公共烂端相连猾接，使籍正负电简源浮置肆起来。分析：如果A3具有理想极特性，则烟：正、负误电源电誓压的涨娘落幅度松＝共模胆输入电撤压的大牙小虽然共模神输入电压室照样加在A1、A2的同相端蓬，但却因哄放大器本于身电源对例共模输入津信号的跟肺踪作用，嗓使其影响佣大大削弱榜。即使A1、A2的参数较不完全字对称，另但由于飘有效共器模电压如减小了斗，转化材为差动第而形成蹲的误差勉电压也怎就很小醋了，这祥就相当禽于提高金了前置击级的共免模抑制兔能力。浮地跟粉踪电路A1，A2共模误他差电压杀降低为（三）右腿驱凯动电路等效电躺路原理：右腿不直盛接接地，盒而是接到府辅助放大轰器A3的输出端枯。从两电首阻Ra结点检出馅共模电压肿，它经辅助的国反相放蚕大器放尖大后，团再通过牵电阻R0反馈到右腿。好处：人体的位阴移电流不徒再流入地哀，而是流扛向R0和辅助触放大器太的输出腊端。R0的安全号保护作顾用：当病人弟和地之粱间出现虚很高电理压时，非辅助放驾大器A3饱和，右旦腿驱动电况路不起作彩用，A3等效于河接地。为使Ucm尽可能截小可增蔬大2RF/Ra由AD6每20构成的查心电前房诚置放大歌电路右腿驱动斗和屏蔽驱墙动由INA1喘18构成的心剖电前置放射大电路右腿驱馅动屏蔽驱动第二节就隔离级计设计目的：为了人体注的安全，现通常对人牧体生物电程信号测量引技术采用浮地形式，以达怀到人体怕与电气半的隔离休。浮地优劲点：（1）保障杂人体的绝泡对安全；（2）消曲除了地忌线中的块干扰电稠流。浮地概圆念信号在厅传递的写过程中晒，不是界利用一稿个公共雹的接地文点逐级脑地往下饭面传送纹（如阻草容耦合溜、直接董耦合等吗），而央是利用谁诸如电磁耦合或光电耦合等隔离磨技术，内信号从革浮地部购分传递水到接地披部分，脉两部分劫之间没尸有电路推上的直俭接联系浮地电气献隔离的实午现：电磁耦还合（变柔压器）光电耦府合（光局电耦合甲器）浮地和接父地：浮地为南浮置部牧分电路酷的等电教位点，碰用相应麦的符号糖表示；晌浮置部语分由浮忘置电源孝供电，节接地部度分由工遥频市电微供电。隔离级设晶计一光电泥耦合优点：重量轻，应用电路碍结构简单藏，成本低孩，良好的线筑性，一定的转宰换速度。实现与TTL电路的兼猜容性设计结构：一个捎作为发沫送辐射透部件的发光二害极管，一个作免为辐射谎探测器的光电颜二极管盈或光电咱晶体管。光电耦经合转移系数椅：输出级取电流/输入级电匪流光耦器浇件转移档特性ECG世-65幕11前置放鸦大电路（1）静态艺平衡初始状掠态：输冲入信号村为零Ii=0，A点为虚矮地点，B点呈负电凡位，有：电流I为恒定手电流，皇从A点流出，纸电容C以电流Ic充电，Uc升高，VA导通，产爆生IDA，发光二惠极管DA发光，杆产生反针向电流IDB，IDB=I时，Ic=0，Uc恒定，达瞒静态平衡由。（2）动态平侦衡当传输灾信号到逐来时，垂设A1的输入为Ui〉0，则有Ii注入A点，△Ii〉0，Uc下降，使IDA减小，DA发光强辉度变弱,∣IDB∣减低。当盲△Ii=∣△IDB∣时，Ic=0，达到某工一动态