第3章生物医学常用放大器

第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第三章生物医学常用放大器第四节功率放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器

利用电子技术，可以把除了生物电以外的各种生理参数借助医用传感器变成易控制的电信号，进行放大、信号加工、A/D转换、显示和记录。这样就能比较方便地研究和观察生命过程的各种微妙变化，使得生命现象能够客观又定量地显示和计算。第一节生物电信号的特点

一、生物电信号的基本特性二、生物医学放大器的基本要求第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器一、生物电信号的基本特性1.生物信号的定义：携带生物信息的信号。生物电信号：如心电、脑电、肌电等非生物电信号：如体温、血压、呼吸等分类：施加物理因素的方法而获得的信号：超声回波、放射性探测等注意：非生物电信号的采集需要合适传感器将其转换成电信号。

第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器1、频率低：例如，心电和脑电0.05~100Hz，眼电：DC~20Hz2、幅度较低：例如，心电和脑电：10μv~5mv，眼电：0.5μv~5mv

4、信噪比低：易被生物体内各种无规则的电活动产生的噪声或被其他更强的电信号所淹没

5、频带范围:频响与所要放大的生物电信号频率范围相适应；

3、生物体阻抗高：输出电压幅度低提供电流的能力差选用低频率、高输入阻抗和放大倍数稳定的放大器阻容耦合的多级放大器很难通过这种频率的信号，需要适应这种信号特点的直流放大器放大倍数越高，稳定越困难，通过负反馈放大实现；高放大倍数高输入阻抗低噪声适当的频响低漂移高共模抑制比2.生物电信号的特性二、生物医学放大器的基本要求基本要求：由于生物医学信号频率较低且频带较宽、阻抗较高且幅度较低和信噪比较小的特点，选用放大器有如下要求：1.高放大倍数4.低噪声2.高输入阻抗5.低漂移3.高共模抑制比6.合适的频带第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器三、生物医学信号的频谱

非正弦式周期波形包含多种频率的正弦波成分：频率为横轴，振幅为纵轴，在横轴上找到所有振幅不为零的正弦波的频率并引出垂线，其长度表示相应的振幅An，这种图称为频谱fA0f1f2f3f5第二节负反馈放大器

一、反馈的基本概念二、负反馈的基本类型

三、负反馈对放大器性能的影响第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器一、反馈的基本概念将放大电路输出端的电压或电流，通过一定的方式，一部分或全部返回到放大器的输入端，对输入端的输入量产生作用的过程，称为反馈。

有无反馈的判断：判断输出回路与输入回路是否存在起联系作用的反馈网络或公共支路。反馈放大器的组成框图放大器输出输入取+加强输入信号(同相)正反馈用于振荡器取-削弱输入信号(反相)负反馈用于放大器开环电路闭环电路反馈网络±叠加反馈信号实际被放大信号反馈电路框图反馈电路的三个环节：放大：反馈：叠加：基本放大电路Ao反馈回路F

+–输出信号输入信号反馈信号差值信号——反馈系数基本放大电路Ao反馈回路F

+–——开环放大倍数——闭环放大倍数——反馈系数负反馈放大电路放大倍数的一般表达式：基本放大电路Ao反馈回路F

+–负反馈深度定义：ufud例：Rf

、RE1组成反馈网络，反馈系数：+–C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2RE1CEC3C2+ECuoui+–T1T2Rf1）、电压反馈和电流反馈电压反馈：反馈信号取自输出电压信号

(反馈信号的大小与输出电压成比例)。电流反馈：反馈信号取自输出电流信号。

(反馈信号的大小与输出电流成比例)。电压负反馈：可以稳定输出电压、减小输出电阻。电流负反馈：可以稳定输出电流、增大输出电阻。根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。1、反馈分类二、负反馈的基本类型取样方式——电压反馈与电流反馈

假设输出端交流短路（RL=0），即uo=0，若反馈信号消失了，则为电压反馈；若反馈信号仍然存在，则为电流反馈。判断方法——输出短路法：根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。串联反馈：反馈信号与输入信号串联，即反馈电压信号与输入信号电压比较。ufuiube2）、串联反馈和并联反馈

串联反馈：反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的两个电极(不在同一点引入)。有：ud

=ui-ufiifib并联反馈：反馈信号与输入信号并联，即反馈信号电流与输入信号电流比较。并联反馈：反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的同一个电极(在同一点引入)。有：id=ii-if

iifibib=i-if并联反馈ufuiubeube=ui-uf串联反馈反馈极性：正反馈与负反馈判定方法——“瞬时极性法”方法：假设输入信号极性判断电路中相关点电位极性输出信号极性反馈信号极性比较【净输入信号减小(增大)则为负(正)反馈】负反馈的作用：稳定静态工作点；稳定放大倍数；改善输入电阻和输出电阻；扩展通频带，改善输出信号波形。注意：在共射放大电路中，基极与集电极的信号反极性，基极与发射极的信号同极性

2、负反馈放大器的四种类型负反馈类型有四种组态:

电压串联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈1）.

电压串联负反馈从输入端看，有：ube=ud

=ui-uf故为串联反馈。

“瞬时极性法”判断反馈极性为负反馈；所以电路为电压串联负反馈反馈电压：因为反馈量与输出电压成比例，所以称电压反馈。ui一定

2）.电流串联负反馈

反馈电压：uf=icRf根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路为电流串联负反馈ube=ud

=ui-uf在输入端有因为反馈量与输出电流成比例，所以是电流反馈。故为串联负反馈。3）.电压并联负反馈根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路为电压串联负反馈。Ib

=id=is-if从输入端看有：因为反馈量与输出电压成比例，所以是电压反馈。

反馈电流：故为并联反馈。4）.电流并联负反馈根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路为电流串联负反馈。在输入端有:ib

=id=is-if反馈电流：因为反馈量与输出电流成比例，所以是电流反馈。故为并联反馈。三、负反馈对放大器性能的影响基本放大电路A反馈电路F

+–反馈电路的基本方程：ofXXF··=doXXA··=

A开环放大倍数

Af闭环放大倍数第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器1.降低放大倍数

则有：结论:负反馈使放大倍数下降,|1+AF|

称为反馈深度，其值愈大，负反馈作用愈强。第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器2.提高放大倍数的稳定性例如，1+

AF

=

101，dA/A

=

10%则，dAf/Af

=

（

10

%）

1010.1

%引入负反馈后使放大倍数的稳定性提高第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器

某一放大器的开环电压放大倍数A=1000，若由于环境温度的影响，使A下降为600。若引入负反馈，反馈系数F=0.01，比较引入负反馈前后电压放大倍数的相对变化量。

解：当A=1000时当A=600时若|AF|>>1，称为深度负反馈，此时：结论：深度负反馈条件下，放大倍数仅与反馈电路有关。而反馈电路一般由无源元件组成，受温度影响较小，故Af比较稳定。第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器3.减少非线性失真无负反馈Auiuo大小有负反馈uiA接近正弦波Fuf略小略大ufuo+–uid改善波形的失真第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器4.展宽通频带放大器加入负反馈后，放大倍数下降，但通频带却加宽了，如图所示。第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器5.对输入、输出电阻的影响(1)对输入电阻的影响ii

A

FuiudufRiAFud无反馈时有反馈时串联负反馈使输入电阻增大Rif第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器并联负反馈使输入电阻减小ifiidii

A

FuiRiAFiidRif第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器无反馈时电压负反馈使输出电阻减小电压负反馈→稳定输出电压（当负载变化时）→恒压源→输出电阻小。电流负反馈使输出电阻提高电流负反馈→稳定输出电流（当负载变化时）→恒流源→输出电阻大。（2）对输出电阻的影响第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器总结：引入负反馈改善性能的一般原则要稳定输出电压——引电压负反馈要稳定输出电流——引电流负反馈要增大输入电阻——引串联负反馈要减小输入电阻——引并联负反馈第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器第三节直流放大器一、直流放大器的零点漂移二、差分放大器第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器一、直流放大器的零点漂移

1.零点漂移：输入电压为零，而输出电压缓慢变化的现象，简称零漂。如下图所示。第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器2.引起零点漂移的原因

（1）晶体管的参数(ICBO、UBE、β)随温度的变化而变化，引起电路中静态工作点的变化，所以零点漂移也称为温度漂移（简称温漂）。（2）电源电压的波动：在多级直接耦合放大器中各级漂移中，又以第一级的漂移影响最为严重，减小输入级的零点漂移，成为多级直接耦合放大器一个至关重要的问题。第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器3.出现问题

零点漂移引起输出电压的变化与被放大的有用信号无法区别开，对于直流放大器，前级引起的零点漂移电压，被后级放大，最后将掩盖正常输出，造成错误输出。4.解决零漂的方法放大器的输入级采用差分放大器。差分放大器具有抑制零点漂移的作用，广泛用于集成电路的输入级。第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器二、差分放大器(differentialamplifier)输入信号ui1、ui2由两管的基极输入，输出电压uo取自两管的集电极。这种电路称为双端输入—双端输出差分放大器。电路结构：T1、T2管特性和参数相同，具有相同的温度特性。第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器特点：结构对称。ui1ui2uoRC1RB1T1RS1RC2RB2T2RS2IC2IC1⑴

当没有输入信号

ui1=ui2=0

RC1IC1＝RC2IC2

UC1=UC2

Uo=0

输入信号电压为零时，输出信号电压也为零。

⑵

当把输入信号电压ui加在两个输入端之间

ui1＝ui

/2ui2＝-ui

/2差模信号

差模输入

ic1=-ic2=ic

uo＝uo1－uo2

＝RC1iC1－RC2iC2

=2RCiC

电路是根据两个输入信号之差来工作的，所以有差动式电路之称。

二、差分放大器(differentialamplifier)uo=UC1-UC2

=0uo=(UC1+

uC1

)-(UC2+

uC2)=0当ui1

=

ui2=0

时：当温度变化时：+UCCuoui1RC1Rb1T1RS1RC2Rb2T2RS2ui21.零点漂移的抑制(1)共模输入(common-modeinput)

两管基极输入信号大小相等，极性相同，即uil=ui2，这样的输入称为共模输入。差分放大器对共模信号没有放大作用，即放大倍数为零。温度变化所引起的零点漂移和其它干扰信号都可以视为共模信号，差分电路抑制共模信号能力的大小反映出它对零点漂移的抑制水平，在高质量的直流放大器中第一级总是采用差分放大器。

2.差分放大器对信号的放大作用第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器(2)差模输入(differentialinput)

两管基极输入信号大小相等，极性相反，即uil=-ui2，这样的输入称为差模输入。差模输入信号使两管的集电极电流IC一增一减，相应的两管的集电极电位一减一增，差动放大电路的输出电压为两管各自输出电压变化量的两倍，也就是将要放大的输入信号。例如：ΔUCl=-1V，ΔUC2=1V，则u。=-1V-1V=-2V第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器改进原因：在实际电路中，完全对称的情况并不存在，单靠电路的对称性来抑制零点漂移是有限的；同时差分电路中每个管的集电极电位的漂移并未得到抑制，如果采用单端输出则根本无法抑制漂移,必须从改进电路着手，来减小每个三极管自身的零点漂移。3.典型差分放大器的改进第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器

（1）长尾式差分放大器电路特点：接入射极电阻RE、辅助负电源UEE，采用正负双电源供电。为使电路左右平衡，设置调零电位器Rw。双电源的作用：1）使信号变化幅度加大。2）IB1、IB2由负电源-UEE提供。第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器

射极电阻RE的作用是稳定静态工作点，限制每一个三极管的漂移范围，减小每个管子的零点漂移。第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器差分放大器共模抑制比（CMRR）的定义共模抑制比：放大器对差模信号的放大倍数和对共模信号的放大倍数之比。共模抑制比愈大，说明电路抑制零漂能力愈强。CMRR—CommonModeRejectionRatioKCMRR=KCMRR

(dB)=(分贝)第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器在差分电路中，提高共模抑制比的有效途径是增大射极电阻RE，但会造成静态工作点偏低，这在电子电路中是不可取的，采用恒流源来代替射极电阻是常用措施之一。（2）恒流源式差放电路第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器恒流源的作用:恒流源相当于阻值很大的电阻。恒流源不影响差模放大倍数。恒流源影响共模放大倍数，使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值为无穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器4.差分放大器的输入输出方式

第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器第四节功率放大器三、集成功率放大器

二、互补对称功率放大器一、功率放大器的特点和分类第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器

电子仪器最后一级的放大器，常常需要给负载提供较大的电压和较大的电流，也就是需要供给负载较大的功率，这种放大器称为功率放大器(poweramplifier)，简称为功放。放大电路实质都是能量转换电路，从能量控制的观点来看功率放大器和电压放大器、电流放大器没有本质的区别，无论哪种放大器，在负载上都同时存在输出电压，输出电流和输出功率。功率放大电压放大信号提取一、功率放大器的特点和分类

1．功率放大器工作特点

（1）在不失真情况下能输出尽可能大的功率。在选择功放管时要特别注意集电极最大允许电流ICM、管压降最大值UCEO、最大耗散功率PCM等极限参数的选择，以确保管子安全工作。通常要给功放管加装散热片，防止管子因过热而损坏。

第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器IcucePCMICMUCEM注意：功放电路中电流、电压值都比较大，电路参数不能超过晶体管的极限值:ICM

、UCEM

、

PCM。

第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器（2）效率要高。在输出功率比较大的情况下效率问题尤为突出。功率放大器的最大输出功率与电源所提供的功率之比称为效率，用公式表示：Pom

:负载上得到的交流信号功率。PE

：电源提供的直流功率第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器（3）尽量减小非线性失真。由于功率放大器处于大信号工作状态，输出电压和电流的变化幅度较大，有可能超出特性曲线的线性范围，容易产生非线性失真。（4）功放管的散热问题。实际功率放大电路中,为了提高输出信号功率,在功放管一般加有散热片。

（5）分析方法。功率放大器处于大信号极限工作状态，必须采用图解分析法。第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器2.功率放大器的分类

通常按静态工作点在交流负载线上的位置不同，功率放大器可分为甲类、乙类和甲乙类等三种工作状态。如图所示：

第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器

2.功率放大器的分类

(1)功放管静态工作点选择在放大区内的称为甲类功放电路在工作过程中功放管处于导通状态，输出波形无失真。由于设置的静态电流大，放大器的效率较低，最高只能达到50%。如图所示。(2)功放管静态工作点设置在截止区边缘的称为乙类功放电路在工作过程中功放管仅在输入信号的正半周导通，负半周时功放管截止，只有半波输出。由于几乎无静态电流，电路的功率损耗减到最少，使效率大大提高。在实际使用中，乙类功放电路采用两个功放管组合起来交替工作，就可输出完整的信号。

如图所示。(3)功放管的静态工作点介于甲类和乙类之间的称为甲乙类功放电路它的波形失真情况和效率介于上述两类之间。是实用功放电路经常采用的方式。

如图所示。引入原因：在甲乙类和乙类状态下工作时，虽然提高了功率放大器效率，但产生了严重的失真。既要保证静态时管耗小，又要输出失真小，只能从电路结构上想办法。下面介绍工作在乙类或甲乙类状态的互补对称功率放大器。二、互补对称功率放大器第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器

（1）电路结构特点:NPN、PNP两管特性一致，双电源供电，输出无隔直电容。1.OCL互补对称功率放大器(OutputCapacitorLess)第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器（2）工作原理分析静态分析：ui

=0V

T1、T2均不工作

uo

=0V动态分析：设ui

为正弦波

ui正半周T1导通、T2截止io=ic1

;ui负半周T1截止、

T2导通io=ic2T1、T2都只在半个周期内工作,称为乙类放大。第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器乙类放大的特点：(1)静态电流等于零；(2)每管导通时间等于半个周期；(3)降低了静态工作电流，但产生交越失真。结论：两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电，在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个完整的波形。第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器最大输出功率

直流电源提供的功率

（3）OCL功率放大器的效率计算第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器效率为

实际电路中存在饱和管压降UCES，且静态工作电流IC也不为零，因此输出效率一般小于78.5％。

第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器（1）电路结构特点：两管对称，单电源供电，输出加有大电容。2.OTL互补对称功率放大器(OutputTransformerLess)第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器（2）OTL互补对称功率放大器工作分析

静态工作分析：即ui＝0时，电路的基极偏置电压为零，故两管的静态参数UBE、IB和IC值均为零，负载电阻RL上无电流通过，两管的发射极电位UE＝0，工作点位于横轴的位置，属于乙类工作状态。

第三章生物医学常用放大器第一节生物电信号的特点第二节负反馈放大器第三节直流放大器第四节功率放大器

动态工作分析：输入信号正半周时，T1导通，T2截止，电源＋UCC通过T1和RL向电容C充电，使电容两端的电压为1/2UCC

。负半周时，T1截止，T2导通，电容C通过T2向RL放电，这时相当于负电源的作用，在负载上得到一个完整的正弦波电压。