医学电子学第二章

第二章生物医学信号放大王伟[e-mail]13594010034第一节生物电放大器前置级原理一、基本要求1．高输入阻抗2．高共模抑制比为了抑制人体所携带的工频干扰以及所测量的参数外的其他生理作用的干扰，CMRR应是放大器的主要指标。生物电放大器的CMRR值一般要求60-80dB，高性能放大器的CMRR达100dB。通过两个电极提取生物电位时，等效源阻抗Zs1和Zs2一般不完全相等，其数值大小与人体汗腺分泌情况、皮肤清洁程度有关。各个电极处的皮肤接触电阻是不平衡的，而且因人而异，加之两个电极本身的物理状态不可能完全对称，这样使得与差动放大器两个输入相连的源阻抗Zs1和Zs2实际十分复杂。不平衡是绝对的，这种不平衡造成的危害是共模干扰向差模干扰的转化，从而造成共模干扰输出。对于已经发生的这种转化，放大器本身的共模抑制能力再高也将无济于事。但是，提高放大器的输入阻抗，则会减小这一转化。issCMBAZZZUUU123．低噪声、低漂移高阻抗源本身就带来相当可观的热噪声，使输入信号的质量很差。所以，为了获得一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有严格的要求。理想的生物电放大器，能够抑制外界干扰使其减弱到和放大器的固有噪声为同一数量级。放大的低噪声性能主要取决于前置级，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。前置级的低噪声设计，是整个放大器设计的主要任务。4．设置保护电路作为生物医学测量的生物电放大器，应在前置级设置保护电路，包括人体安全保护电路和放大器输入保护电路。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。保护电路使通过电极的电流保持在安全水平。在进行人体生物电检测时，应考虑到同时作用于人体的其他医学检测设备或可能存在的某种干扰对放大器的破坏作用。前置级的输入回路设置保护电路，以保证放大器的正常工作。二、差动放大电路分析方法放大电路总的增益为：整个放大器的总的共模抑制比CMRR为：理论上，为了提高放大器的CMRR，可以使外电路电阻失配造成的共模误差电压与集成器件本身产生的共模误差电压互相抵消，以使Ac趋近于零。但实际上，外回路电阻的阻值随温度、时间而漂移，加之CMRRD的非线性影响，这种补偿方法的效果是很有限的。经过精心的调整，可以获得CMRR比CMRRR高一个数量级的改进。差动放大电路的共模抑制能力受到放大电路的闭环增益、外电路电阻匹配精度以及放大器件本身的CMRRD等诸多因素的影响。在设计过程中，为实现一定的CMRR值，应根据被放大的信号、采用的电路结构，予以考虑。121RRUUUUUAFiioidodRDRDcdCMRRCMRRCMRRCMRRAACMRR三、差动放大应用电路上述基本差动放大电路输入电阻不够高的根本原因在于差动输入电压是从放大器同相端和反相端两侧同时加入的。如果把差动输入信号都从同相端送入，则能大大提高电路的输入阻抗。方法有：采用同相输入结构或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。同相并联差动放大结构电路作为生物电放大器前置级的设计步骤为：（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）。这样进行挑选之后，器件本身将不成为放大电路的共模抑制比的限制因素。（2）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。（3）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取得较高一些，是有利于总的共模抑制能力的提高的。而Ad2相应减小虽然会造成CMRRR的下降，但对总的共模抑制比的影响相对比较小。放大器各级增益的设计，实际受到低噪声性能的限制。从第一章第二节可知，多级放大器的噪声系数F，在第一级增益较高时，后边各级的噪声系数的影响相对减小，放大器总的噪声系数主要取决于第一级。提高第一级增益使信号质量改善，提高了信噪比；实验证明，尽可能提高第一级电压增益，有利于实现低噪声性能。四、前置级共模抑制能力的提高1、屏蔽驱动从与人体相接触的电极到测量系统，通常有大于lm的距离。例如ECG，EEG体表电极到前置放大器之间有数根约lm的导联引线。导联引线用屏蔽电缆，这样，信号通过电缆传输时，在信号线（芯线）和电缆屏蔽层之间将有可观的分布电容。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。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Rs1C1≠Rs2C2，从而造成共模电压的不等量的衰减，使放大器的CMRR下降。使屏蔽层电容不起衰减作用就可消除屏蔽层电容的不良影响。例如，导联线的屏蔽层不予接地，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地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。从这个观点出发，取出放大电路的共模电压用以驱动屏蔽层，使分布电容C1、C2的端电压保持不变，即C1、C2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。屏蔽驱动2．浮地跟踪把输入前的接地端浮置并跟踪共模电压，即相当于器件的偏置电压都跟踪共模输入电压。这样，共模电压不能随着信号一起被放大，从而放大器输出端产生的共模误差电压便大大被削弱，这就相当于提高了放大器的共模抑制能力。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A1、A2的正、负电源的公共端相连接，使正、负电源浮置起来。如果A3具有理想特性，则正、负电源电压的涨落幅度与共模输入电压的大小完全相同。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。浮地跟踪3．右腿驱动技术aFdcmRRIRV210第二节隔离级设计一、光电耦合由PN结构成的光电耦合器件包含有一个作为发送辐射部件的发光二极管和一个作为辐射探测器的光电二极管或光电晶体管（包括达林顿晶体管），分别称之为光电二极管耦合和光电晶体管耦合。光电晶体按照晶体管的电流增益放大光电二极管的电流，具有0.1一0.5的电流转移系数。为了提高电流转移系数，改用达林顿晶体管形式，构成达林顿光电晶体管，可以获得1—10的电流转移系数。光电耦合器件的工作频率，受光电晶体管基极和集电极之间的电容的影响，不加补偿改进的简单应用电路的频率上限为100kHZ，而光电二极管耦合器可以获得IMHZ的工作频率。用于模拟信号的耦合转换，首先要求光电耦合器具有很好的线性特性。光电晶体管转移特性光电耦合器件的工作频率，受光电晶体管基极和集电极之间的电容的影响，不加补偿改进的简单应用电路的频率上限为100kHZ，而光电二极管耦合器可以获得1MHZ的工作频率。例:日本光电ECG-6511心电图机前置放大器光电耦合分析选用国内市场广泛出售的光电晶体管耦合器TIL117。它利用两个光电器件特性的对称性提高耦合级电路的线性度。PHl和PH2是经过严格挑选的特性对称的两个光电耦合器，运放A1和运放A2工作在线性状态。A1通过PH1形成负反馈。PH1、PH2的电流转移系数分别是β1和β2，在静态时，根据运算放大器的理想特性及电路的结构可知，Ii=I1，电容C中的电流为0。当信号Ui到达平衡时，有：由于PH1和PH2特性对称，对应某确定的ID值，β1=β2，所以:光电隔离电路（PWM方式）)]2(1ln[2143210RRRCf内部带有光电隔离的仪用放大器oinGGISOoutRRRRIMRRVVVV2162110二、电磁耦合电磁耦合即变压器耦合。与光电耦合方式相比较，工艺复杂，成本高，体积大，应用不便。因为变压器不可能传递低频或直流信号，所以对低频或直流信号必须首先通过调制电路，把低频信号调制在高频载波上，经过变压器耦合后，再解调，恢复生物信号。变压器隔离方式的线性度、共模抑制比都比光电耦合方式高，但是变压器耦合的频率响应不及光电耦合高。随着频率响应的改善、提高，变压器耦合器件的成本将增加很多。但变压器耦合的噪声性能相对较好。第三节生物电放大器设计一、心电放大器A0缓冲放大A1第一级放大A2第二级放大A3滤波放大SD屏蔽驱动RD右腿驱动CAL校准INST闭锁图示为临床心电图描记的前置放大器框图。标准导联及胸前导联共九个心电信号，经过九个缓冲放大器变换成稳定的低内阻心电信号。通过导联选择通路，信号进入放大器。电容C的作用是去除电极的极化电压并与电阻R构成高通滤波器，决定放大器的频率下限。再经光电耦合实现电气隔离。1)输入电路：输入保护、平衡电阻、缓冲放大、Wilson网络、屏蔽驱动、导联选择等。2）前置放大：通过导联切换选择一路心电信号送入放大级进行放大。差动放大A1为第一级，同相放大A2构成第二级，差动放大去掉了共模电压，只放大心电信号。第一级电压增益为20，第二级电压增益为3。为了提高信噪比，A1应具有足够高的增益和CMRR，A1后级电路应不破坏低噪声性能。心电放大器必不可少的功能还包括：定标（即校准）、电极脱落检查、脉冲抑制电路的复零电路。定标控制信号CAL为低电平时，晶体管T1饱和导通。设稳压管Dw稳定电压值为6V，调整电位器W1使p点电位为1mV，则产生lmV差动电压送入A1，作为放大器的定标信号。A1输出端设置脉冲抑制电路。干扰脉冲（如心脏起搏器脉冲信号）使二级管瞬时导通，经过电容耦合到地端，而心电信号经A1放大后仍然远远小于二极管的导通电压，所以心电信号可正常传递到后级电路。导联切换控制电路二、脑电放大器脑电放大器的基本要求是：(1)具有较高的低噪声性能直接拾取EEG信号时放大器输入端短路噪声应低于10uF（均方根值）诱发电位放大器的输入端短路噪声应低于0.7uF（均方根值)，(2)具有较高的共模抑制能力。用头皮电极拾取EEG信号时CMRR高于80dB诱发电位放大器的CMRR高于90dB。前置级的低噪声设计（1）根据信号源为高内阻源的特点，为实现噪声匹配，选择场效应输入的低噪声运放器件构成前置级（2）合理的增益分配（3）低噪声运放器件的输入端不允许附加任何额外电阻（4）前置级中的输入级各反馈电阻RF，RW的阻值要小（5）在前置级的低噪声设计中，去极化电压的隔直电容和光电耦合级尽可能设置再放大电路的后一部分