第五章-生物电放大基础和心电图测量.ppt

1、第五章 生物电放大基础和心电图测量,常向荣 ,要求掌握,差动放大器 差模输入 共模输入 差模放大倍数 共模放大倍数 共模抑制比 电路不平衡造成的共模输出,生物电信号测量的意义： 生物电现象是反映生命活动的重要信息 生物电测量是人体生理状态监测的主要方法 生物电信号特点： 生物电信号大都属于低频,微弱和强噪声背景下的自然信号,本章将详细介绍生物电放大器的基本原理和电路组成原理。 生物电放大器的核心是前置放大器，是本章的重点。 心电图测量是生物电最典型的应用，介绍心电图测量基本原理。,5.1 生物电放大器前置级原理,生物电放大器常用于生物体任意两点间电位差作多种组合的测量。 生物电放大器前置级必须

2、采用差动放大电路。,5.1-1 基本要求,根据生物电信号特点，对生物电放大器前置级提出的要求： 高输入阻抗， 高共模抑制比， 低噪声、低漂移 设置保护电路等。,1高输入阻抗,生物电信号是通过人体皮肤，电极，2米长导联线进入放大器 电极和皮肤接触压力有变化，使人体组织液和导电膏中的离子浓度发生变化，导致电极阻抗产生k或几十k的变化。 生物电信号属于高内阻微弱信号源，源阻抗大小因人而异、因生理状态而异。 放大器输入阻抗不高会在输出端产生干扰。,包括电极,信号源和放大器输入回路等效电路：,RT1、RT2 - 人体电阻，几十 RS1、RS2 - 电极与皮肤接触电阻，几十 k。 CS1、CS2 - 电极

3、与皮肤间分布电容，几十pF RL1、RL2 - 输入保护电阻，通常30 k Ri - 放大器输入电阻,粗略估计放大器输入端信号源内阻约100 k。 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% 。,例： 如果信号源的内阻为100K，则放大器输入内阻至少为1M， 现设计信号源内阻为10M ，则各种因素造成的信号源内阻的变化，所引起的测量误差都可以减小到忽略不计,实际放大倍数：,讨论：如果信号源内阻从2K 变化到15K ， 在Zi1M 的情况下， 在Zi5M 的情况下：,常用的输入阻抗指标,2. 高共模抑制比（CMRR）,共模抑制比

4、CMRR的定义 : CMRR = 20 lg（Ad/Ac） （dB ） 其中Ad ,Ac 分别为放大器的差模增益和共模增益。 为抑制人体的工频干扰，放大器应选用选高共模抑制能力差动放大形式。,生物电测量的信号和干扰分析,几个结论：,生物电信号表现为差模信号，干扰为共模信号 采用差动放大器放大差模信号，抑制共模信号 生物电放大器CMMR值要求60100dB，高性能放大器CMRR达120dB CMRR是前置放大器最重要指标,共模向差模转化,信号源内阻不可能完全相等 各电极处皮肤接触电阻不平衡 电极的物理状态不可能完全对称 以上原因造成电路的不对称性， 结果，使得共模干扰向差模转化（对测量极其不利）

5、,例，当电路不对称时，共模电压向差模输出转化： A、B两点处共模电压降为：,则共模电压转化为差模电压：,讨论： Zs1和Zs2相差5k，则对于10mV的共模干扰电压，若打算限制在10V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,3. 低噪声、低漂移,放大器本身固有的噪声是确定放大器能够放大信号大小的下限 设计放大器使得其对外界噪声的抑制和本身固有噪声在同一个数量级上（噪声系数）,4. 设置保护电路,人体的安全 控制其对同时测量的其他设备的干扰,5.1-2 差动放大电路,放大器前置级，都采用差动放大电路结构。,分析： 1、共模信号和差模信号 2、两个输入端 3、反

6、馈性质 4、理想运算放大器分析：虚短、虚断 5、 U0由U1和I表示 6、 U0 由共模信号和差模信号表示 7、什么条件可使共模输出为0 8、理想条件下共模抑制比为多少 8、理想条件下闭环差模增益,分析：两个输入端信号ui1和ui2 按共模电压uic 和差模信号uid 定义,差模信号,共模信号,即两个输入端信号的算术平均值,即两个输入端信号之差,用理想运放的条件分析，由R1 和Rf 电流相等得到关系式 代入以上定义有：,输出分两项: 共模输出uoc= Ac * uic ,共模增益Ac 差模输出uod= Ad * uid ,差模增益Ad,如果选择外回路各电阻参数，使得 则无共模输出，即共模输入u

7、ic 完全被抑制。 如果电路平衡，电阻满足对称要求，即 得到外回路电阻的匹配条件： R1 = R2 , RF = R3,得到理想闭环差模增益: 共模增益Ac = 0，无共模输出。理想的差动放大器 CMRR = ,实际差动放大器共模抑制比不能达到，将取决于两个因素CMRRR 和CMRRD： CMRRR 是外回路电阻匹配精度所限定的放大器共模抑制比； CMRRD 是集成器件本身共模抑制比。,1.电阻精度所限定的共模抑制比CMRRR 设理想运放，由电阻精度限制的共模输出为UocR。放大器共模增益为： 设电阻精度为 1,各电阻分别为： 设：1 = 2 = 3 = 4 = 1 整理得共模增益： 小，共模

8、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。,5.1.2.2 集成运算放大器本身共模抑制比,讨论： CMRRD的存在所产生的共模输出电压。即Uoc 由共模抑制比的定义可以得到： 分析： 共模抑制比 共模放大倍数 注意，得到的共模输入电压，通过差模放大倍数等效一个误差电压，这个误差电压的大小：应该有共模输出/？ 等效共模误差由共模输入和共模抑制比表示为：？,2.集成器件本身的共

9、模抑制比CMRRD:,实际运放存在有限共模抑制比CMRRD 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Ad=Ad与共模增益Ac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

10、。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。,3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

11、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=0.1%。求差动放大电路的共模抑制比。 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：,差动放大电路为具有共模抑制比放大器。 生物电放大器应选用差动放大电路形式。 差动放大电路的输入阻抗不高，应采用同相并联差动放大电路。,5.1-3 同相并联差动放大电路,同相并联差动放大电路结构组成：,同相并联差动放大由两级电路组成 第一级：同相并联放大电路 特点具有高输入阻抗，达10M以上。 具有对称结构抑制共模干扰。 第二级：差动放大电路 具有共模抑制能力。,1 第一级分析,同相并联级计

12、为CMRR12 假设理想情况： A1,A2， RF,Rw 输出分别为uo1和uo2 根据回路中电流相等,得：,第一级总输出电压 第一级差模增益为：,分析：,理论上：同相并联结构具有完全对称电路形式，输出没有共模电压，共模抑制比很大。 实际：第一级为CMRR12 取决两运放A1,A2自身共模抑制比的差异。,设A1、A2分别为有限值CMRR1、CMRR2 按前述结论，共模输入为uic 使得 A1 在其输入端存在共模误差电压 Uic/CMRR1 A2在它输入端存在共模误差电压 Uic/CMRR2 共模误差输出总电压（第一级）：,第一级共模增益 第一级共模抑制比CMRR12:,第一级小结：,第一级电路

13、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。）,例如: CMRR1和CMRR2分别为80dB 、90dB, 则CMRR12为83dB。 而CMRR1和CMRR2分别为80dB和80.5dB， 则CMRR12可高达160dB,2两级总共模抑制比分析,同相并联差动放大电路：,两级放大电路差模增益为： 第一级：共模抑制比CMRR12 第二级：差动放大级为 CMRR3,二级电路共同产生共模输出电压，用叠加原理分析， 总共模输

14、出为： 总共模增益：,两级放大电路总共模抑制比为,结论：,同相并联差动放大电路共模抑制能力取决于： 第一级运放的CMRR1和CMRR2对称度 第一级差动增益Ad1 第二级差动放大器的CMRR3 生物电放大电路设计应按照以上原理和方法进行。,例2题：,下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20k、23k。放大器输入阻抗实际有80M，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。,例2题：,解： 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

15、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 = Ad1 Ad2 = 55 对于差动放大器A3： CMRRR = （1 + Ad2）/4 = (1+ 5)/(410-3) = 1500 CMRRD = 100 (dB) = 10 5 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

16、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 : 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从02提高到01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。,5.1-4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

17、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,1共模屏蔽驱动,从与人体相接触电极到测量系统，通常有大于1m的屏蔽电缆（导联引线）。存在分布电容C1，C2，电极阻抗RS,RS不平衡，则RS1C1 RS2 C2 ，造成共模电压不等量衰减，使放大器CMRR下降。 共模屏蔽驱动：使屏蔽层电容不起衰减作用的措施。 取放大电路共模电压用以驱动屏蔽层，使分布电容C1，C2对共模电压不产生分流，相当于在共模作用下电缆屏蔽层分布电容不复存在。,屏蔽层驱动电路设计,A1，A2为缓冲器，其输出分别为： (Uic + Uid/2), (Uic Uid/2)。 用一简单电阻网络R- R接在A1、A2输出端，

18、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。,2.共模驱动,生物电前置级常设置一电路用于将人体共模信号负反馈加给人体，以便抵消共模干扰的影响，称为共模驱动或者右腿驱动电路， 原理图,共模驱动电路在放大器前置缓冲级用一组等值电阻取出共模电压，然后经过一个高增益反相放大器将反相的共模信号反馈给人体抵消共模干扰的影响。,假设人体干扰源为Uc,C1为干扰源对人体分布电容,C2为人体对地的分布电容, R1为人体对地的电阻,R2为反馈电阻，即右腿驱动限流电阻,Ri前置缓冲级输入阻抗, Uc1为测量电极处

19、实际共模电压,Uc2为共模获取电路的输出共模电压,且 Uc2 Uc1 共模驱动放大器增益K。其输出为 Uc3K Uc1,根据电路有,通常，共模驱动放大器增益K取值很大，分母中 远远大于前面两项,则上式的模值可以简化为,表明:加入共模驱动电路后，人体共模信号Uc1和共模驱动放大器增益K成反比，K值一般都很大，使Uc1大幅度下降。 人体共模信号Uc1还和右腿驱动限流电阻R2成正比，所以R2值应越小越好， 但是为防止过大的驱动电流引起电击现象，所以R2取值不能太小。R2可以选择100k。,5.1-5 集成的仪器放大器AD620,同相并联差动放大有系列集成器件，称谓仪表放大器,例如AD公司的AD620等。 在同相并联差动放大基础上，用激光晶片校准技术，仅用一个外接电阻对增益进行准确的确定 在1和8脚间接入电阻RG以设置所需增益G： RG取不同值时,得到1到1000电压增益,优点：,低频噪声小,从0.1Hz10Hz的噪声电压p-p值为0.28v,失调电压、温漂都很小,共模抑制比为110dB,带宽120kHz(G=100)。 使用时,Ref端通常接地,确保良好接地是保持高共模抑制比必须的。 稳定性、温漂:电阻RG应选用精密线绕电阻。 电源端常外接0.1F电容,为去除耦合干扰,应用时要注意就