生物医学信号的特点及对放大器要求

第三章生物医学常用放大器从人体获得的生物医学信号，再经过滤波、放大、显示等一系列处理过程，才能为医学研究和临床诊断提供可靠的客观依据。本章在前面放大电路基本原理的基础上，首先介绍生物电信号特点、频谱及常用的几种滤波电路，然后重点讨论负反馈放大器、直流放大器的工作原理及特点，最后简述功率放大器。•第一节生物医学信号的特点及频谱•第二节常用滤波电路•第三节负反馈放大器•第四节直流放大器•第五节功率放大器主要内容第一节生物医学信号的特点及频谱携带生物信息的信号称为生物信号。其中生物电信号是由于人体内各种神经细胞自发地或在各种刺激下产生和传递的电脉冲，肌肉在进行机械活动时也伴有电活动所产生的信号，如心电、脑电、肌电等。非生物电信号是由于人体各种非电活动产生的信号，如心音、血压波、呼吸、体温等。医学中还常通过在人体上施加一些物理因素的方法来获得生物信号，如各种阻抗图，它以数十千赫交流电通过人体的一定部位，获得阻抗或导纳变化的波形图；又如超声波诊断仪器，它向人体发射脉冲式的超声波，通过回波方式获得的生物信号。另外还有通过在体外检测人体样品的仪器、生理参数遥测仪器和放射性探测仪器等获取的生物信号。上述诸多的生物信号被统称为生物医学信号。生物电信号的频带主要在低频和超低频范围内，各种生物电中包含了频率很低的成分。在第二章中介绍的阻容耦合多级放大器很难通过这种频率的信号，所以本章将介绍适应这种频率特点的直流放大器。通常生物电信号的幅度较低，只有毫伏级甚至微伏级，而普通的电子元件的噪声相当于数微伏无规则电压，为了使生物电信号不被噪声淹没，放大器的前级必须选用高质量的电阻和电容，低噪声的场效应管，电源也要采取特殊稳定的措施。一.生物电信号的特点及其放大器另外生物电信号的整个频带中要求放大器的放大倍数稳定、均匀，在信号幅度范围内具有良好的线性。对于生物电放大器来讲，电压放大倍数一般都较高。放大倍数越高，保持稳定就越困难。为了使输出波形不失真，必须采取一定的电路技术，如负反馈放大技术。生物体的阻抗很高，这意味着生物信号源不仅输出电压幅度低，而且提供电流的能力也很差，因此要求生物电放大器的前级必须具有很高的输入阻抗，以防止生物电信号的衰减，但高输入阻抗易引入外界干扰，特别是市电50Hz的干扰，为了提高放大器输入信噪比，常常加入50Hz陷波器。生物电信号的信噪比较低，这是由于生物体内各种无规律的电活动在生物电信号中形成噪声，有些生物电信号被其他更强的电活动所淹没，如希氏束电图H波，只有1～10μV，比心电信号弱得多，再有胎儿心电信号的幅度约为5μV，比母体心电信号弱很多，使噪声电压超出生物电信号电压。当无用信号掩盖了有用信号时，提取这些电信号就需要借助于微弱信号检测技术。总之，为适应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，必须选用低截止频率、高输入阻抗和放大倍数稳定的放大器。二.生物医学信号的频谱实际的信号波形是很复杂的，大多不是正弦波，但借助频谱分析的方法，这种非正弦式周期波形可以被分解为数目足够多的，幅度不同、频率不同、初位相不同的正弦波。1.周期性波形的频谱非正弦式周期波形包含多种频率的正弦波成分。用数学表达为：式中当n=1时，fn为f1，是非正弦式周期波的重复频率，称为基频。此频率的正弦波称为基波，其它正弦波的频率fn都是基频的整数倍，称为n倍频，相应的正弦波为n次谐波。...3,2,1,0)2sin(Untfatnnn以频率为横轴，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，这种图称为振幅频谱，也常简称为频谱(spectrum)。而an2组成功率频谱，简称为功率谱。各种频率成分的初位相声。组成的位相谱，称为位相频谱。基波和二次谐波的振幅相同，初位相为零。基波和二次谐波的振幅相同，但二次谐波的初位相为π/2。从下面的位相频谱图中可以看到。2.脉冲波形的频谱在电子学中把在时间上短促的波形称为脉冲(impulse)。单个孤立的波形可以用一系列正弦波的叠加来组成，频率可取连续值，且具有连续频谱。连续频谱的波形叠加用积分式表达为：式中Af和Φf分别为振幅和位相频谱。0)2cos(2)(dfftAtUff矩形脉冲的宽度为τ，高度为1／τ，面积为1。波形的中点在时间坐标t的零点。频谱的横坐标按照fτ划分，频率以1/τ为单位，其振幅频谱有正负振幅不断摆动，且延伸很远，范围与1/τ成正比。钟罩形波，τ为波形下降到最大值的0.6065所需时间，1/(2πf)为脉冲的高度，面积为1。它的频谱很平滑。由这两个脉冲的频谱图可见：脉冲愈宽，愈平滑，则频谱范围愈窄；相反，波形愈陡峭所含谐波愈多，频谱范围愈宽，特别是突然变化的脉冲波形更是如此。如人体动脉压力波形比较平滑，根据频谱分析大约含有10个谐波，而心电波形，因它含有比较陡的R波，故大约含有30~60个谐波。高频脉冲：即振幅随一个脉冲波形变化的高频振荡。图(a)表示振幅随一脉冲波形变化的高频振荡，图(b)是它的频谱，可以从原先脉冲的频谱得到。把原先脉冲的频谱对称地向负频率侧延伸，然后向右移动f0的距离，就得到。可见，高频脉冲的频谱形状是由脉冲频谱决定的，高频脉冲的频谱位置是高频振荡频率来决定。在对生物体的一切生物医学信号进行分析时，如心电分析、脑电分析和脉波分析，常利用频谱分析手段，从中提取有用的生物信号作为临床诊断的依据。第二节常用滤波电路根据生物医学信号特点的分析，以及生物电信号进入放大器前还要混入干扰的具体情况，一般在放大器等处理装置前加有滤波器。所谓滤波器就是一种使有用信号顺利通过，而使无用信号被消除或衰减的电子电路。在滤波电路中必须包括与频率有关的元件如电容和电感。生物医学仪器中的滤波电路，通常由电容器和电阻器组合而成。在滤波理论中，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把消除或衰减的信号频率范围定义为阻带。通带和阻带的界限频率，包括下限频率和上限频率。具体电路有高通和低通滤波，带通和带阻滤波，双T滤波和50Hz陷波等。一.高通滤波高通滤波只允许信号中高频成分顺利通过，且衰减很小，而消除或减弱低频噪声。电压传输函数为：222f)(1)/1(TRCRCCRRUUfRf式中，URf是uR中频率为f的交流成分的有效值，Uf是电路中频率为f的总电压的有效值。输出电压URf比总电压有效值Uf超前一位相φR。ftgTfffR21cos)2(12TRC2f则滤波特点：(1)当频率很低时，fτ1，Tf=0，低频成分被衰减，Tf与f成正比。(2)当频率很高时，fτ1，Tf=1，高频成分能顺利通过，且位相也不改变。(3)fL=1/2πRC为下限频率，通频带为fL～∞。(4)在阻容耦合放大器中，级间用RC电路耦合信号从电阻两端输出，同时也起到高通滤波的作用。二.低通滤波器与高通滤波器相反的低通滤波器，只允许信号中的低频成分顺利通过，且衰减很小，进而达到消除或减弱混在信号中的高频噪声的目的。其电路的电压传输函数为：222f)(11)/1(/1TRCCRCUUfcf式中，UCf是uC中频率为f的交流成分的有效值，Uf是电路中频率为f的总电压的有效值。输出电压UCf比总电压有效值Uf超落后一位相φc。.,2/1cos)/(11)2(1122称为上限频率其中RCffffRCTHCHf滤波特点：(1)当频率很低时，f/fH1，Tf=1，φC≈0，即低频成分无损耗，无相移传输。(2)当频率很高时，f/fH1，Tf=0，高频成分被衰减，有低通的作用。(3)fH=1/2πRC为上限频率，通频带为0～fH。(4)共发射极电路中的电流放大系数β随频率变化的关系式表明，晶体管也有低通滤波的作用。三.带通滤波带通滤波器就是只允许通过一个频带中的信号成分，在这个频带之外的信号成分则被衰减。其电路由高通滤波和低通滤波共同组合而成，频率特性如图所示，fH-fL为其通频带的范围。电路的重要参数是品质因数Q，定义为：LHLfffHfQ(1)当Q值低时，此电路的选频本领小，允许较宽的频带范围的生物医学信号通过，称宽带滤波。对于生物医学放大器中经常遇到数十千赫以下的低频信号，电阻和电容就可以组成带通滤波器，最简单的低频宽带(低Q值)滤波器可由高通和低通滤波器共同组合而成，其允许通过的频带由fL和fH决定。(2)当Q值高时，此电路称为选频电路，其选频本领大，只允许较窄频率范围的信号通过，称窄带滤波。对于数兆赫以上高频信号，只有用电阻、电容和电感结合起来才能组成高频窄带(高Q值)滤波器，而对低频生物医学信号只有电阻、电容和放大器结合起来，才能组成低频窄带(高Q值)的滤波器。四.带阻滤波带阻滤波只选择性的衰减一个频带内的信号，而在这个频带范围之外的信号成分都可无衰减的通过。其电压传输系数如图3-8所示。高Q值带阻滤波器，称选频电路，也称陷波器。双T选频电路，由高通滤波和低通滤波组合而成的。信号输入中的低频成分可以从上通道(既低通滤波器)传输，而高频成分可以从下通道(即高通滤波器)传输，而对于信号中的中间频率成分，上下两通道均可以通过，其中通过低通滤波器传输出来的电压位相落后，通过高通滤波器传输出来的电压位相超前，它们再分别经过电阻和电容两路传输出来的，电压位相差更大，在某个适当的中间频率下，两路输出电压幅度相等，且位相相反，输出总电压为零，起到了使这个中间频率的信号被衰减的作用，即有陷波作用。中间频率即陷波频率f0和Q值，经理论证明分别由上式给出。中间频率不受负载影响。当接上负载后，Q值一般比输出端开路时要低。另外，由于电阻和电容总有些误差，各个电阻和电容不能严格保持图中标示的比值(或等值)，在中间频率处的传输系数将不等于零。因而品质因数也低于理论值。LHLHLHffffQRCff21f0这个电路在生物医学放大器中，常将f0选为50Hz，用来滤掉50Hz的市电干扰，称50Hz陷波器。实际应用中希望Q值很高，只对50Hz波有陷波作用，但上面电路的品质因数太小，很难达到要求。只有与放大器组合起来，才能提高选频能力，即达到高Q值，这种高Q值的滤波器称为有源滤波。以上滤波器均为无源滤波器。第三节负反馈放大器一.反馈的基本概念和分类反馈(feedback)就是把一个系统的全部或部分输出信号通过某种环节，送回到输入端。在电子学中反馈一般是通过跨接在输入端和输出端之间的性能比较稳定的线性元件，如电阻来完成。将放大器的输出电压或输出电流的一部分或全部送回到输入端，与输入信号叠加后再送入放大器中，如图3-10所示。图中ui为输入信号，uo为输出信号，uf为反馈信号，K0为放大器的放大倍数，F为反馈系数(feedbackcoefficient)，它等于反馈信号与输出信号之比，即F=uf/uo，ui’为ui与uf合成之后的实际输入信号。从反馈信号与原输入信号的相位关系来看：当反馈信号与原输入信号同相位时，即加强了输入信号，使放大倍数提高，这种反馈称为正反馈(positivefeedback)。反之，当反馈信号与原信号反相位时，即减弱了输入信号，称负反馈(negativefeedback)。正反馈虽然可以提高放大倍数，但失真度大，频带变窄，严重的甚至会引起振荡，使放大器无法工作，所以在放大器中一般不采用正反馈，而在振荡器中则需要利用正反馈。关于负反馈的方式，从反馈信号与输出电压或输出电流成正比的关系来看：当反馈信号与输出电压的大小成正比时，称电压负反馈；与输出电流大小成正比时，称电流负反馈。从反馈信号与输入信号的连接方式来看：当反馈信号与输入信号是串联在一起控制输入信号电压大小的，称为串联负反馈；与输入信号是并联在一起控制输入信号电流大小的，称为并联负反馈。归纳起来，负反馈共有四种方式，即电流串联负反馈、电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流并联负反馈。二.几种负反馈电路1.电流串联负反馈在分压式电流负反馈偏置电路中，RE对直流起负反馈作用，使直流工作点稳定。若RE上的电容CE