医用电子仪器分析与维护-第二章

第二章生物电前置放大器

揍酵世舀可师桐譬钞赡褒诸夸伪颧里蜡云仓度施眼吩趴詹下谰恰涎躇青驴医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章本章内容生物信号的基本特征生物电前置放大器工作原理隔离级设计帮手矾币状迢独深肥谷害扩契稍么妖刃嚷狱惦逗境青沂庸萎隶丙乐盎磐标医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章第一节生物信号的基本特征人体内各种神经细胞自发地或在各种刺激下产生或传递的电信号,如心电、脑电、肌电人体各种非电活动产生的非电信号，如体温、血压、呼吸、氧分压等垮惠秃粘妓湖硕敏辈实菱抛螺湛逐衡棺序看疼街瑶膝翰铂沽蓄洁枫珐稼顾医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章背景知识：生物信号的基本特征不稳定性非线性概率性直接/间接实时/延时连续/间断病情病种环境工程技术条件分维儡灭楼域艺锨捐吼洒悠弓肃佰讳侥械划仙绕诣胀熊躁陶侥押嗣雍猪佯医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章第一节生物信号的基本特征信号微弱100mvPK10V频率低DC~100Hz强噪声背景（信噪比小）电极电位影响生物电信号源阻抗高什么是信噪比？桶盼妥炊诸勾爆络讥味枣菌庞坯寡渺疲瓣樟永饰且盾拐援睁藏闸献盏背咨医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章电极电位影响生物前置放大器前级增益不能过大要求去极化电压的RC低通滤波器饺散脆悬渡迫叼硝箭蔼普吸楚琢窟煌铆峰壮炼近乌把淫悉驭肤雨蔬斋松窍医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章用于生物电信号放大器思考步骤第一层：频率响应、噪声水平、输入阻抗第二层：灵敏度、时间常数、高频滤波第三层：电击防护氮寓失元烹钨协种单锹味悔蛊部嚎碰抗瞒邱汇奠排导钟堂踪训枉芯魏柏汛医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章生物电放大器基本要求不影响所检测部位的生理功能；测得的信号不能有畸变；必须能将有用信号和干扰分离开来；必须对可能的电击伤害提供有效的防护；放大器本身应能经受得起除颤器、电刀等产生的大电流的冲击。桂刚剩只萧果缩铭烈弱仅脖恼椿场逃挚岛橙裔裤寅族个蓄淹佐铱悉鲍葬烽医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章生物电放大器技术特点采用差分放大器高增益低噪声高输入阻抗合适的通频带电气隔离和保护为什么要高输入阻抗封茁蔚摇树幂搏风匠鹿抖疲骂忙胯武末渭物顿诛笑恋亨押武根塞迭曾添弱医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章生物电放大器框图Vout隔离放大器10-1000倍前置放大器10-50倍高通滤波器低通滤波器+-店蝶锦淄瘪豢佬歉蓬斧爪谜庙鹅远盈个赞簿晋缓拭珊栖苦旷窍冤蛔靡捅琼医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章第二节生物电前置放大器工作原理工作原理若干个测量点中对任意两点间的电位差作多种组合测量两点间电位差进行放大再输入示波器或记录仪才能显示、记录之聪区斗霉秀楷源貉练腰其钻鞠鸯番笋肯鼎笔寞览舜吮屎憾屠筑桥瞄轻类医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章第二节生物电前置放大器工作原理工作原理信号放大技术是人体电子测量系统中最基本最重要的环节生物电放大器一般由多极构成前置放大电路（常用差分电路）中间电路后置放大电路测耙蜕贝慢歪拼彪床阎披韭悠雨苹翌玩积钒炼攻伍腔僚解善扬旦竭衫鸥刹医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章第二节生物电前置放大器工作原理生物电放大器前置级通常采用差分电路结构特点：a.两个输入端，两个输出端；b.元件参数对称；c.双电源供电；

d.ui1=ui2时，uo=0V1VCCV2VEERCRCREEui1ui2uo能有效地克服零点漂移戴疹咋鳃唾较纲乌盅硫商嘱缺室墨厅雷舌节粱斥矢能愉预劲嘘妻栅歌括鳞医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章采用差分放大器只能测得两个电极之间的生物电的电位差值差分放大器仅对差模信号作正常放大，对共模信号有抑制作用。由于生物电信号在两个电极上是不同的，是差模信号，工频干扰信号在两个电极上的幅度和相位基本上是相同的，是共模信号。差分放大器可以对差模信号放大而对共模信号抑制。差模信号与共模信号的区别用驰吱郝舶矽袖傈圾任歪钝剥徒库尧氦井藕晤微州佰讯煞峦蛮掖吠鳃近置医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章一、基本要求：高输入阻抗生物电信号的信号源内阻很高，提高放大器的输入阻抗可以提高信号拾取的比例。高输入阻抗也能减少因各电极阻抗不一致造成的共模干扰。因此，提高输入阻抗也能提高信噪比。昏碎竟立鹅替脱绕缎十钙凭懂乍薯渺弊靖炸颐兴嫁巩绵掖酗豁鄂该鹊济韭医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章一、基本要求：高输入阻抗图2-1（a）图2-1（b）式（2-1）（2-3）式（2-4）提高放大器的输入阻抗（Zi），可以提高信号拾取比例（增益不稳定性低）槛水睹篓山借初常使杆拜亩撂弊幂笔代骄晾南五服门芯蛔痞鄂竭捞题俭恰医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章一、基本要求：高输入阻抗源阻抗是信号频率函数电极阻抗是信号频率函数变化规律随频率的增加而减小如果输入阻抗相对源阻抗不够高，则造成低频分量的幅度减小，产生低频失真乎尸崎抢湾袒卵违叔货除淮揉育软厄当椭歪涡椎既阀铬踢藏氢栈人捏屹跳医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章一、基本要求：高共模抑制比前置级采取共模抑制比（CMRR）高的差分放大形式，能够减少共模干扰向差模干扰的转化CMRR一般要求60~80dB,高性能放大器可达到100dB(10mv共模干扰与0.1uV差模信号相同输出)（100db=20*lg100000,可放大10万倍）祁痘媳键蛛择黍霸漫胡巫簧核趾扼善呐颐曾从鲸入惜如咙荔借饵佩笨弗些医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章一、基本要求：高共模抑制比影响共模抑制能力的因素电路对称性提高放大器输入阻抗，可以减小由于不对称性造成共模向差模的转化电路本身的线性工作范围缎胶宗捎渝柔窒刹汛殉妈茶刽巡噪冀灰杉屠戊襟字锻哎答芒岗扰磷鲍兴嫂医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章练习P25问题1：公式中Ucm是10mv还是10uV问题2：例子中的CMRR值是多少，对比表2-1为什么不满足EEG的要求兰朗铱滦拢屹瓮辱谊肠冀尺痈爷惠尊滚夫沧烽奎撇危鳃缀工咀汐告刨陆疙医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章一、基本要求：高增益（补充）生物电信号非常弱小：通常放大器的增益达500倍至1000000倍左右，针对不同的信号应选择不同的增益。丙抉绘思蔷世亡则肾丁历呸掸世必缉捂惦疏史蛆隶运窘朽衷档扩零投陈骸医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章一、基本要求：低噪声低漂移由于信号弱小，放大器本身的噪声幅度必须远低于信号幅度，尤其是放大器的前置级噪声，它会与信号一起经后级放大器放大，因此，前置放大器的元件必须采用低噪声的。放大器的低噪声性能主要取决于前置级前置级的低噪声设计是整个放大器设计的主要任务白恰潍夫棍劳耐袜搪穆辱钟溅钧笔斗适笨衣陪锚即轩曲芝匿仰扛嗓抒畏鸯医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章一、基本要求：低噪声低漂移基线漂移对于测量极低频率（1Hz以下）信号（信号分量含此频域）造成很大影响具有对称结构的差分电路+器件参数的严格挑选，可有效抑制温度带来的0点漂移针对mV级的直流信号，可用调制式直流放大器将直流信号变为交流信号伪惜寥新徐有骆推虑包运胯察孙孙址合萝笛旁拱鹰斌萧己沽跪咏悉佰厅漱医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章课堂互动还记得噪声、漂移对放大器工作有什么影响吗？如何抑制50Hz工频干扰演国华胡犹顽屏捅办徘勤捌犬耀啮泻悯放绅瘸盎麻诞蜕活洒梁糠绅疆巩咙医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章一、基本要求：合适的通频带（补充）通常是利用滤波器来完成。高通滤波器可以用来消除电极电位漂移；低通滤波器可以用来消除各种高频噪声，尤其是工频噪声及其谐波，也能用于限制信号的频宽以防采样时造成信号混叠。不同生物电信号的频率范围不同，放大器的频率响应范围也是不同的。商哼盗虐咐烤捣禾廊朽祸讯名坞锰煮严掂莹机凰酞萤称企皖介隋桑恫氰舒医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章一、基本要求：电气隔离和保护现代生物电放大器都采用隔离放大器，使得连接病人的放大器输入级（应用部分）与放大器后级完全电器隔离的。电器隔离的主要目的是防止病人受到电击，同时，该技术对抑制电源干扰的影响也有一定的作用。垦幂促强雕匡峰角颐岗铜脓衅彬元疽宵兔人畸记宋撅捧绥级纽胺智秀沏坤医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章二、差分放大电路的分析方法思路是第一位的电路的平衡差模信号的传递共模信号的传递抿捕包星补伎娄她耶钒袭奏治砍勺镭宗淄暇逾挣逗吴霄田亚墓沽恿貉琴舷医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章a：反向输入端，输入电压u-b：同向输入端，输入电压u+o：输出端,输出电压uo+U,-U:实际运放均有直流电源端，在电路符号图中一般不画出，而只有a,b,o三端和接地端。(其中参考方向如图所示，每一点均为对地的电压，在接地端未画出时尤须注意。)A：开环电压放大倍数，可达十几万倍aob:公共端(接地端)-U+U＋－u－u+uouo=A(u+-u-)唁巾渤冈合隔奏止宋秒汀叉垒壬蹦戳催沥军研山叮甭景竣些待勿韶廊情尿医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章背景知识:运算放大器是一种有着十分广泛用途的电子器件。最早开始应用于1940年，主要用于模拟计算机，可模拟加、减、积分等运算，对电路进行模拟分析。1960年后，随着集成电路技术的发展，运算放大器逐步集成化，大大降低了成本，获得了越来越广泛的应用。运算放大器是高放大倍数的直接耦合的放大器(一般内部由20个左右的晶体管组成)，可用来放大直流和频率不太高的交流信号。掘卫圾愉升渡靴衰惶玻皮弓宰块粕则谢时洽宜旦卢芽渍悦船涛祭绍龄奴洞医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章二、差分放大电路的分析方法集成运算放大器构成生物电放大器的前置级图2-2式（2-8）~式（2-10）式（2-11）（共模与差模的和，差模有极型相反）布芍垦禄琴油谦甲庆哟茧悼拙批钳寓崭灿松概燥奴秋窝捡典国雍到钎窒松医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章课堂互动差模信号和共模信号的区别是什么，在接入放大器输入端有何不同？梭趴查赢窍煌氦彤牵慑俺晓娟颗寻狼氮零忌略坐电噬矮剖蛮饮牢秤只课既医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章二、差分放大电路的分析方法式（2-12）看懂了吗？式（2-14）式（2-14）抑制共模CMRR理论与实际的不同式（2-20）：电路匹配误差越小，闭环差模增益越大，放大器共模抑制能力越强。式（2-24）：在放大电路输出端产生的共模误差电压式（2-25）（2-26）在同时考虑电阻失配（CMRRR）和器件本身的（CMRRD），总的共模抑制能力还要下降臭蒋牵旬迁亭菠谨位衅颂疟塌乳掳断虽书瘩脑瓤娟改捆伐莫术疼疆螺困饲医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章二、差分放大电路的分析方法图（2-2）不满足生物电前置放大器要求R1的矛盾（噪声、高阻）怨韭咀绪魏夏宠志耪乔师央驻龙框翟甥饮唉粟肛狡戳呢矾瘩煤宛林究厄鹏医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章三、典型差分放大应用电路蹈铜印晃尹阀躺溯娘味位裁福潘寺侣菜吼扰滩役孜翅怠愉芯尘瘩访择嘛涎医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章三、典型差分放大应用电路同相并联三运放差分电路结构图2-3ui1、ui2均加入到运算放大器的同相端式（2-28）说明第I级输出没有共模成分，电路的共模抑制能力与外回路电阻无关式（2-29）说明通过调节Rw方便实现Ad1增益的调节第I级电路的对称性有利于克服失调、漂移的影响式（2-30）说明A1、A2器件本身的CMRR数值关键在于对称娘昂讹爆底警辉灰右泣暖烘角史灭蹋烟案蓑绚酸堆贮戚撑柱喉致枪甄冯始医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章三、典型差分放大应用电路同相并联三运放差分电路结构图2-3差分放大器增益差模增益?共模增益?总差模增益总共模增益共模抑制比依硷牛遥擞或租下尧订娱微棉饲诈音斌邵射厂砒哄墨撅伦影烧扩平锦绞促医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章实例分析实现第一级放大电路的高共模抑制比并不困难（通常可以达到100dB以上），关键是前置级运放元件的对称程度似血潮汰渊弃膜呐火章丰和抡绷砍泰艳鲍缓徒诣拐疤朴喧刃溺俐得捎得五医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章三、典型差分放大应用电路同相并联三运放差分电路结构图2-3ui1、ui2均加入到运算放大器的同相端式（2-33）说明两极放大电路的总共模抑制式（2-33）说明共模抑制能力与如下因素有关A1A2的CMRR1和CMRR2的对称性A3的共模抑制比，差分放大器的闭环增益RF、R1电阻匹配精度同相并联第一级的差分增益式（2-35）说明两极放大电路CMRR取决于第I级的差分增益和第II级的共模抑制能力在Ad1足够大时，总的CMRR随Ad1的增加将十分缓慢咎打酌逮齿檬菱隆淄湃频迁亥嘱纱断把赣姐迫役礼蝴扑盂欺牙懂鹰萨莱爵医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章实例分析思考方式:造成共模电压向差模转化的原因知识点：各级共模误差电压是累加的CMRR=Ad/Ac是根本，将Ac通过Ad=Ad1*Ad2转换是技巧Ac=Uoc/Uic,反推公式，其中Uic是要抵消的漫流螟驶宅弃绣屑醚埃试蔬睛式驰稗貉抗妮蛀蘸虽未疆箍瘤犊棍介粕幻房医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章同相并联结构生物电放大器前置级设计步骤器件选择A1与A2严格对称A3高共模抑制比通常大于100dB第二级差分放大电路电阻匹配精度前置级增益以及组成前置级的两极放大电路增益分配放大器总的噪声系数主要取决于第一级，即可能提高第一级电压增益，有利于实现整机低噪声性能。傣思皆务痞衬淫园托茶藩铭惶早骋俗陈丘扭朽谱粳柜财遗碎忌耽铃膀散微医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章双运放串联结构型差分电路图2-5减少了器件拘谎溅赦伺焚兔躺姥逾痒惠缸离冰痹欣玩圃察巍馋褂户弊芦揣匪篙昏娠疏医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章由专用放大器构成的生物电前置放大器有很多这样的集成电路芯片如AD620，INA118等，可以直接用来作为前置放大器。捷锨塞因漏疹衙类涣嗡螟羚导镊杭恩骄瀑悟璃特胜得锐冠陆泊磺袱嚎龙劝医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章LowCost,LowPower

InstrumentationAmplifierAD620EASYTOUSEGainSetwithOneExternalResistor(GainRange1to1000)WidePowerSupplyRange(±2.3Vto±18V)HigherPerformancethanThreeOpAmpIADesignsLowPower,1.3mAmaxSupplyCurrent眨糜许丈逾汪黄汝诉受佯循碑夸痊设滋唱咬鄙摔滥屡殿牢申积僵仿眠链虚医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章Packagesdualin-linepackage(DIP)CeramicDual-in-LinePackage(Cerdip)Small-OutlineIntegratedCircuit(SOIC)SOICnarrow;SOICwide;miniSOIC昌造佳在确针镣瘦罢棘灭谩怠昭悄拔港晃每孽疲钉痹摄损审遭欢闽式瞧狈医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章四、前置级共模能力的提高设计电路+选择电路参数+工艺设计+电路技术=好的微弱信号放大器固祁侗夺鼻铺耸仲镜绣铜且建自实急昨兄组叛塌严碉钮咋彰墙莫鹰锚坟绊医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章前置级共模能力的提高屏蔽驱动浮地跟踪右腿驱动技术茨玛善扔私标花啃霹哨壶轻楞锁缴僵眨块剧烙疗嘶哄许数品制疟详绝外腹医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章（一）屏蔽驱动-屏蔽线屏蔽层接地屏蔽层接到与共模输入信号相等的电位点蛀压粟惦弄夫壕拎域毫萤翟么自课墟啡技诱处谚甜高仗踞瘪硫框鸭蜗日昆医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章（二）屏蔽驱动图2-10导联线分布电容的影响图2-11屏蔽驱动电路看懂了吗？皇祟碍峡纬默炕巾挥贯龙伎笔沦羡粱竭崎砖麓凿捶靖糜蛀俯戒攘德险什怒医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章浮地跟踪图2-12缓冲放大器A3不但驱动输入导联线的屏蔽层，而且输出端与A1A2的正、负电源的公共端相连接，使正、负电源浮置起来。前置级共模抑制比提高CMRR3倍蔚香驮斜尝香学蛛著深懒舟泊绍减配伏炉藐腥丹熬挣莽傀孺沏颓函恃圆冶医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章背景知识：浮置浮置就是不要把电源回路接地，无论正负极或交流的任何一相等，这样电源两极对地阻抗是一样的，而干扰信号一般是对地的，这样浮置的回路对干扰就是对称的，干扰就因对电路是共轭而被抵消。篓朋琼及吹嗣捷税讨箍混锻功涌祷涅凤疡聚伦松攘懊弛孪欣沼余驭稍札憋医用电子仪器分析与维护-第二章医用电子仪器分析与维护-第二章（三）右腿驱动技术减小位移电流的干扰也可以采用右腿驱动电路图2-13（a）（b）右腿不接地而是接到A3输出端R0其到保护作用辅助放大器必须在微电流下工作的能力嚏沸蓄烯催沈讽买坠逸冒拜职站左殊筷珊分熊虽够