医学仪器原理-信号处理

信号处理本章的目的：研究各种生理参数的测量放大器

的设计方法，尤其是放大器的前置级的设计。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。

3.1生物电放大器前置级原理一.基本要求生物电放大器前置级通常采用差动电路结构。（一）高输入阻抗

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。

生物电信号源——高内阻的微弱信号。信号源阻抗——因人而异，因身体状况而异，与电极安装位置、电极本身的物理状态都有密切关系。（不稳定）电极阻抗——频率的函数。随电极中电流密度的大小而变化。放大器输入阻抗——要求为高输入阻抗。

3.1生物电放大器前置级原理差动放大器输入回路的等效电路:左图

为包括电极系统的信号源和差动放大器输入回路的等效电路。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。粗略估计，与放大器输入端相连接的信号源内阻高达约100K。这样，放大器的输入阻抗至少大于1M。

3.1生物电放大器前置级原理差动放大器输入回路的等效电路

上图

可以进一步简化为下面的等效电路：其中：

（3-1）（3-2）如果设计的放大器输入阻抗为10M，信号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均可减少到忽略不计。

3.1生物电放大器前置级原理设放大器差模增益为Ad，输出电压为Uo，则由上图可得：假设ZS1=ZS2=ZS，且ZS<<Zi，A’d=Uo/Us（A’d表示对生物信号Us的电压增益），则：（3-3）（3-4）分析：如果Zs的值从2~150kΩ变化，在Zi=1MΩ时，由式（3-4）得到A’d的不稳定性波动为12.8%；而在Zi=5MΩ时，A’d的不稳定性波动下降为2.8%。

3.1生物电放大器前置级原理一.基本要求（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。

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。值得注意的是：放大器的实际共模抑制抑制能力受前面电极系统的影响。通过两个电极提取生物电位时，等效源阻抗一般：Zs1≠Zs2。

3.1生物电放大器前置级原理一.基本要求（二）高共模抑制比

如图，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：（3-5）则共模电压转化为差模电压UA-UB（3-6）通常Zi>>Zs1（Zs2），所以：（3-7）生物电放大器输入回路等效电路

3.1生物电放大器前置级原理一.基本要求（三）低噪声，低漂移

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。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。设计要求：

3.1生物电放大器前置级原理一.基本要求（四）设置保护电路

保护电路包括：1、人体安全保护电路；2、放大器输入保护电路。保护电路设置在前置放大器前：（1）任何出现在放大器输入端的电流或电压，都可能影响生物电位，使人体遭受电击。（2）在进行人体生物电测量时，应考虑到同时作用于人体的其他设备或干扰对放大器的破坏。（3）应设有快速校准电路，以便及时指示出被测信号的测量。

3.1生物电放大器前置级原理二.差动放大电路分析方法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。

3.1生物电放大器前置级原理二.差动放大电路分析方法1.共模抑制比（CMRR）

图3－2差动放大电路图3-2为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：（3-8）（3-9）因此，（3-10）（3-11）（1）理想情况下：

3.1生物电放大器前置级原理二.差动放大电路分析方法1.共模抑制比（CMRR）

（3-12）（3-13）（1）理想情况下：

应用理想运算放大器的条件，得到输出电压和输入电压之间的关系。由

U+=U-，I+=I-=0

R1和Rf中电流相等，所以，得到：式中，uoc是共模输出，uod是差模输出。

3.1生物电放大器前置级原理二.差动放大电路分析方法1.共模抑制比（CMRR）

（3-14）（3-15）（1）理想情况下：

如果选择外回路的各电阻参数，使得：则无共模输出，即共模输入完全被抑制，不产生共模误差。此外，为了补偿放大器输入平均偏置电流及其漂移的影响，外部回路电路还应满足平衡对称条件，即：由上两式，得到：R1=R2RF=R3（3-16）

3.1生物电放大器前置级原理二.差动放大电路分析方法1.共模抑制比（CMRR）

（3-17）（1）理想情况下：

因此，理想闭环差模增益为：由于共模增益Ac1=0，故放大器的CMRR=∞。以上为理想情况，实际上各个外电路电阻必然存在阻值误差，不可能达到完全的对称平衡。

3.1生物电放大器前置级原理二.差动放大电路分析方法1.共模抑制比（CMRR）

（3-18）（2）实际情况下：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。由公式（3－13）可知，放大器的共模增益为：设各电阻的匹配误差分别为：

A.电阻失配共模抑制比CMRRR：

3.1生物电放大器前置级原理二.差动放大电路分析方法1.共模抑制比（CMRR）

得：因为远小于1，上式可简化为：设，（3-19）这样，由外电路电阻匹配精度限定的放大器的共模抑制比为：（3-20）A.电阻失配共模抑制比CMRRR：

3.1生物电放大器前置级原理二.差动放大电路分析方法1.共模抑制比（CMRR）

（3-21）共模增益A’c为共模输出电压与共模输入电压的比：（3-22）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A’d与共模增益A’c之比：

3.1生物电放大器前置级原理二.差动放大电路分析方法1.共模抑制比（CMRR）

（3-23）由式（3－21）、（3－22）、（3－23）可得：（3-24）B.器件本身的共模抑制比CMRRD：而U’oc折合到放大器输入端的共模误差电压(即U’ic）为：说明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U’ic，它与差动信号一起被放大Ad倍。

3.1生物电放大器前置级原理二.差动放大电路分析方法1.共模抑制比（CMRR）

（3-25）（3-26）C.总共模抑制比CMRR：

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：（3-27）可见，CMRR是CMRRD和CMRRR的并联，其值小于任一个值。放大器的总的共模抑制比进一步降低例题: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δ=±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？

3.1生物电放大器前置级原理

3.1生物电放大器前置级原理二.差动放大电路分析方法1.共模抑制比（CMRR）

综上所述：差动放大器的共模抑制能力受到以下因素的影响：闭环电路的增益；外电路电阻匹配精度；放大器本身的共模抑制比等。在设计过程中，应根据被放大的信号，所采用的电路结构予以综合考虑。

3.1生物电放大器前置级原理二.差动放大电路分析方法2.基本差动电路的输入阻抗问题

对于左图所示的基本差动放大电路，在符合匹配条件下，由U-=U+的理想状态可知：输入阻抗ri为：这样为了提高输入电阻，必须加大R1。但是加大R1，失调电流及其漂移的影响必将加剧。如果选用具有场效应输入级的运放器件来组成放大电路，由于它的失调电流及其漂移会小些，可以采用较大的R1，但是这样做的结果，至少会增加输入级的噪声，降低消信号质量，进而还会遇到高阻问题，在低噪声设计中这是不允许的。因此，这种基本放大电路的输入阻抗不能满足生物电放大器前置级的要求，应在电路结构上加以改造。

3.1生物电放大器前置级原理二.差动放大应用电路

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，采用图3-3的同相并联结构。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。图3-3同相并联结构前置放大电路上述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。

3.1生物电放大器前置级原理

三.差动放大应用电路

1.同相并联结构前置级图3-3同相并联结构前置放大电路A1，A2组成同相并联输入第一级放大，以提高放大器输入阻抗；A3为差动放大作为放大器第二级。设差动输入uid=ui2-ui1，第一级输出分别为uo1，uo2，根据A1，A2，A3的理想特性，R’F，RW中的电流相等，得：导出:

3.1生物电放大器前置级原理

三.差动放大应用电路

1、同相并联结构前置级上两式相加，得第一级放大的输出电压：（3-28）第一级电压增益为：（3-29）分析:（1）在第一级电压输出的表达式中，并没有共模电压成分。与基本差动放大电路输出电压表达式相比，同相并联的低一级电路并不要求外回路电阻有任何形式的匹配来保证共模抑制能力，因此避免了须电阻精度匹配的麻烦。

3.1生物电放大器前置级原理

三.差动放大应用电路

1、同相并联结构前置级分析:

（2）这种并联结构的电路，能方便的实现增益的调节。（3）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。2.A1，A2本身各自的共模抑制比对第一级电路的共模抑制比的影响设A1，A2的共模抑制比分别为CMRR1，CMRR2，则共模输入电压Uic使A1在它的输入端存在共模误差电压Uic/CMRR1，使A2在它的输入端存在共模误差电压Uic/CMRR2。

3.1生物电放大器前置级原理

三.差动放大应用电路

2.A1，A2本身各自的共模抑制比对第一级电路的共模抑制比的影响因而在第一级输出端存在共模误差的输出电压：而定义第一级电路的共模抑制比为CMRR12，则：（3-30）由此可见，第一级放大电路的模抑制能力取决于运方器件A1，A2本身的共模抑制比的差异。

3.1生物电放大器前置级原理

三.差动放大应用电路

2.A1，A2本身各自的共模抑制比对第一级电路的共模抑制比的影响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，因为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。为了割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。

3.1生物电放大器前置级原理

三.差动放大应用电路

3.差动放大级不难看出，两级放大电路的总的共模抑制能力与两级单独时的共模抑制能力相比将要下降。两级放大电路的共模抑制比，由两级产生的共模误差决定。图3-3两级放大电路的差动增益为：（3-31）由叠加定理，放大器的总的共模输出为：（3-32）

3.1生物电放大器前置级原理

三.差动放大应用电路

3.差动放大级（3-33）由此得到共模增益为：这样，同相并联两级放大电路的总共模抑制比为：

3.1生物电放大器前置级原理

三.差动放大应用电路

3.差动放大级因此，同相并联差动放大电路构成生物电前置级时，其共模抑制能力取决于：（1）A1，A2运放器件的CMRR1和CMRR2的对称程度；（2）A3运放器件的共模抑制比；（3）差动放大级的闭环增益；（4）RF,R1电阻的匹配精度；（5）同相并联的第一级差动增益。当严格挑选A1，A2，使之对称性好时，则：CMRR12>>Ad1×CMRR3CMRR≈Ad1×CMRR3这样，式（3－33）可近似为：（3-35）（3-34）例题

如图3-4所示为同相并联结构的ECG前置级电路，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。

3.1生物电放大器前置级原理

三.差动放大应用电路

3.1生物电放大器前置级原理

三.差动放大应用电路同向并联结构的ECG前置级电路

3.1生物电放大器前置级原理

三.差动放大应用电路

4.生物电放大器前置级的设计步骤：（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（通常大于100dB）。

3.1生物电放大器前置级原理

三.差动放大应用电路4.生物电放大器前置级的设计步骤：（2）第二级差动放大电路中电阻的匹配精度；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)。

3.1生物电放大器前置级原理

三.差动放大应用电路4.生物电放大器前置级的设计步骤：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。（3）前置级增益以及增益分配。

3.1生物电放大器前置级原理

三.差动放大应用电路

5.同相串联结构前置级（了解）

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。缓冲级与差动放大器构成的前置级仪用放大器构成的前置放大器—AD620AD620内部结构

3.1生物电放大器前置级原理

四.前置级共模抑制能力的提高

1.正确设计电路参数；（前面章节内容）2.屏蔽驱动；3.浮地跟踪；4.右腿驱动技术。提高共模抑制比的途径：

3.1生物电放大器前置级原理（一）屏蔽驱动图3－10导联线分布电容的影响

1.分布电容C1，C2

如图3-10所示，由于导联引线用屏蔽电缆，这样，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。实际上，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。

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四.前置级共模抑制能力的提高

（一）屏蔽驱动2.消除屏蔽层电容C1，C2的影响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。实质上，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。

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四.前置级共模抑制能力的提高

（一）屏蔽驱动2.消除屏蔽层电容C1，C2的影响思想方法：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。使屏蔽层电容不起衰减作用的措施能够消除屏蔽层电容的影响。例如：

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四.前置级共模抑制能力的提高

（一）屏蔽驱动2.消除屏蔽层电容C1，C2的影响图3-11屏蔽驱动电路

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四.前置级共模抑制能力的提高

（一）屏蔽驱动3.关于实际屏蔽电路图3-11为共模电压驱动电线引线屏蔽层的电路设计。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。屏蔽驱动电路的目的是使引线屏蔽层分布电容的两端电压保持相等。

3.1生物电放大器前置级原理

四.前置级共模抑制能力的提高

（二）浮地跟踪1.简介目的：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）可以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）

3.1生物电放大器前置级原理

四.前置级共模抑制能力的提高

（二）浮地跟踪2.浮地跟踪电路图3-9浮地跟踪电路

3.1生物电放大器前置级原理

四.前置级共模抑制能力的提高

（二）浮地跟踪2.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这样，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。

3.1生物电放大器前置级原理

四.前置级共模抑制能力的提高

（二）浮地跟踪2.浮地跟踪电路所以：得:

3.1生物电放大器前置级原理

四.前置级共模抑制能力的提高

（二）浮地跟踪2.浮地跟踪电路A1,A2构成的第一级的共模电压引起的差模误差输出由于A3的存在而进一步减小。A1，A2的共模误差电压Uic/CMRR’12进而降低为:因此，第一级的共模抑制比实际上变成：电源电压浮置跟踪共模输入电压，前置级共模抑制比提高了CMRR3倍。采用右腿取代直接接地，可以使50Hz共模干扰电压降低到1%以下，而对于50Hz干扰的抑制并不以损失心电图