医用电子仪器分析与维护-第二章

第二章生物电前置放大器本章内容生物信号的基本特征生物电前置放大器工作原理隔离级设计第一节生物信号的基本特征人体内各种神经细胞自发地或在各种刺激下产生或传递的电信号,如心电、脑电、肌电人体各种非电活动产生的非电信号，如体温、血压、呼吸、氧分压等背景知识：生物信号的基本特征•不稳定性•非线性•概率性•直接/间接•实时/延时•连续/间断•病情•病种•环境•工程技术条件第一节生物信号的基本特征信号微弱100mvPK10V频率低DC~100Hz强噪声背景（信噪比小）电极电位影响生物电信号源阻抗高什么是信噪比？电极电位影响•生物前置放大器前级增益不能过大•要求去极化电压的RC低通滤波器用于生物电信号放大器思考步骤•第一层：频率响应、噪声水平、输入阻抗•第二层：灵敏度、时间常数、高频滤波•第三层：电击防护生物电放大器基本要求•不影响所检测部位的生理功能；•测得的信号不能有畸变；•必须能将有用信号和干扰分离开来；•必须对可能的电击伤害提供有效的防护；•放大器本身应能经受得起除颤器、电刀等产生的大电流的冲击。生物电放大器技术特点•采用差分放大器•高增益•低噪声•高输入阻抗•合适的通频带•电气隔离和保护为什么要高输入阻抗生物电放大器框图Vout隔离放大器10-1000倍前置放大器10-50倍高通滤波器低通滤波器+-第二节生物电前置放大器工作原理工作原理若干个测量点中对任意两点间的电位差作多种组合测量两点间电位差进行放大再输入示波器或记录仪才能显示、记录第二节生物电前置放大器工作原理工作原理信号放大技术是人体电子测量系统中最基本最重要的环节生物电放大器一般由多极构成前置放大电路（常用差分电路）中间电路后置放大电路第二节生物电前置放大器工作原理生物电放大器前置级通常采用差分电路结构特点：a.两个输入端，两个输出端；b.元件参数对称；c.双电源供电；d.ui1=ui2时，uo=0V1VCCV2VEERCRCREEui1ui2uo能有效地克服零点漂移采用差分放大器只能测得两个电极之间的生物电的电位差值差分放大器仅对差模信号作正常放大，对共模信号有抑制作用。由于生物电信号在两个电极上是不同的，是差模信号，工频干扰信号在两个电极上的幅度和相位基本上是相同的，是共模信号。差分放大器可以对差模信号放大而对共模信号抑制。差模信号与共模信号的区别一、基本要求：高输入阻抗生物电信号的信号源内阻很高，提高放大器的输入阻抗可以提高信号拾取的比例。高输入阻抗也能减少因各电极阻抗不一致造成的共模干扰。因此，提高输入阻抗也能提高信噪比。一、基本要求：高输入阻抗图2-1（a）图2-1（b）式（2-1）（2-3）式（2-4）提高放大器的输入阻抗（Zi），可以提高信号拾取比例（增益不稳定性低）一、基本要求：高输入阻抗源阻抗是信号频率函数电极阻抗是信号频率函数变化规律随频率的增加而减小如果输入阻抗相对源阻抗不够高，则造成低频分量的幅度减小，产生低频失真一、基本要求：高共模抑制比前置级采取共模抑制比（CMRR）高的差分放大形式，能够减少共模干扰向差模干扰的转化CMRR一般要求60~80dB,高性能放大器可达到100dB(10mv共模干扰与0.1uV差模信号相同输出)（100db=20*lg100000,可放大10万倍）一、基本要求：高共模抑制比影响共模抑制能力的因素电路对称性提高放大器输入阻抗，可以减小由于不对称性造成共模向差模的转化电路本身的线性工作范围练习P25问题1：公式中Ucm是10mv还是10uV问题2：例子中的CMRR值是多少，对比表2-1为什么不满足EEG的要求一、基本要求：高增益（补充）生物电信号非常弱小：通常放大器的增益达500倍至1000000倍左右，针对不同的信号应选择不同的增益。一、基本要求：低噪声低漂移由于信号弱小，放大器本身的噪声幅度必须远低于信号幅度，尤其是放大器的前置级噪声，它会与信号一起经后级放大器放大，因此，前置放大器的元件必须采用低噪声的。放大器的低噪声性能主要取决于前置级前置级的低噪声设计是整个放大器设计的主要任务一、基本要求：低噪声低漂移基线漂移对于测量极低频率（1Hz以下）信号（信号分量含此频域）造成很大影响具有对称结构的差分电路+器件参数的严格挑选，可有效抑制温度带来的0点漂移针对mV级的直流信号，可用调制式直流放大器将直流信号变为交流信号课堂互动•还记得噪声、漂移对放大器工作有什么影响吗？•如何抑制50Hz工频干扰一、基本要求：合适的通频带（补充）通常是利用滤波器来完成。高通滤波器可以用来消除电极电位漂移；低通滤波器可以用来消除各种高频噪声，尤其是工频噪声及其谐波，也能用于限制信号的频宽以防采样时造成信号混叠。不同生物电信号的频率范围不同，放大器的频率响应范围也是不同的。一、基本要求：电气隔离和保护现代生物电放大器都采用隔离放大器，使得连接病人的放大器输入级（应用部分）与放大器后级完全电器隔离的。电器隔离的主要目的是防止病人受到电击，同时，该技术对抑制电源干扰的影响也有一定的作用。二、差分放大电路的分析方法思路是第一位的电路的平衡差模信号的传递共模信号的传递a：反向输入端，输入电压u-b：同向输入端，输入电压u+o：输出端,输出电压uo+U,-U:实际运放均有直流电源端，在电路符号图中一般不画出，而只有a,b,o三端和接地端。(其中参考方向如图所示，每一点均为对地的电压，在接地端未画出时尤须注意。)A：开环电压放大倍数，可达十几万倍aob:公共端(接地端)-U+U＋－u－u+uouo=A(u+-u-)背景知识:运算放大器是一种有着十分广泛用途的电子器件。最早开始应用于1940年，主要用于模拟计算机，可模拟加、减、积分等运算，对电路进行模拟分析。1960年后，随着集成电路技术的发展，运算放大器逐步集成化，大大降低了成本，获得了越来越广泛的应用。运算放大器是高放大倍数的直接耦合的放大器(一般内部由20个左右的晶体管组成)，可用来放大直流和频率不太高的交流信号。二、差分放大电路的分析方法集成运算放大器构成生物电放大器的前置级图2-2式（2-8）~式（2-10）式（2-11）（共模与差模的和，差模有极型相反）课堂互动•差模信号和共模信号的区别是什么，在接入放大器输入端有何不同？二、差分放大电路的分析方法式（2-12）看懂了吗？式（2-14）式（2-14）抑制共模CMRR理论与实际的不同式（2-20）：电路匹配误差越小，闭环差模增益越大，放大器共模抑制能力越强。式（2-24）：在放大电路输出端产生的共模误差电压式（2-25）（2-26）在同时考虑电阻失配（CMRRR）和器件本身的（CMRRD），总的共模抑制能力还要下降二、差分放大电路的分析方法图（2-2）不满足生物电前置放大器要求R1的矛盾（噪声、高阻）三、典型差分放大应用电路三、典型差分放大应用电路同相并联三运放差分电路结构图2-3ui1、ui2均加入到运算放大器的同相端式（2-28）说明第I级输出没有共模成分，电路的共模抑制能力与外回路电阻无关式（2-29）说明通过调节Rw方便实现Ad1增益的调节第I级电路的对称性有利于克服失调、漂移的影响式（2-30）说明A1、A2器件本身的CMRR数值关键在于对称三、典型差分放大应用电路同相并联三运放差分电路结构图2-3差分放大器增益差模增益?共模增益?总差模增益总共模增益共模抑制比实例分析•实现第一级放大电路的高共模抑制比并不困难（通常可以达到100dB以上），关键是前置级运放元件的对称程度三、典型差分放大应用电路同相并联三运放差分电路结构图2-3ui1、ui2均加入到运算放大器的同相端式（2-33）说明两极放大电路的总共模抑制式（2-33）说明共模抑制能力与如下因素有关A1A2的CMRR1和CMRR2的对称性A3的共模抑制比，差分放大器的闭环增益RF、R1电阻匹配精度同相并联第一级的差分增益式（2-35）说明两极放大电路CMRR取决于第I级的差分增益和第II级的共模抑制能力在Ad1足够大时，总的CMRR随Ad1的增加将十分缓慢实例分析•思考方式:造成共模电压向差模转化的原因•知识点：各级共模误差电压是累加的•CMRR=Ad/Ac是根本，将Ac通过Ad=Ad1*Ad2转换是技巧•Ac=Uoc/Uic,反推公式，其中Uic是要抵消的同相并联结构生物电放大器前置级设计步骤器件选择A1与A2严格对称A3高共模抑制比通常大于100dB第二级差分放大电路电阻匹配精度前置级增益以及组成前置级的两极放大电路增益分配放大器总的噪声系数主要取决于第一级，即可能提高第一级电压增益，有利于实现整机低噪声性能。双运放串联结构型差分电路•图2-5•减少了器件由专用放大器构成的生物电前置放大器•有很多这样的集成电路芯片如AD620，INA118等，可以直接用来作为前置放大器。LowCost,LowPowerInstrumentationAmplifierAD620•EASYTOUSE•GainSetwithOneExternalResistor(GainRange1to1000)•WidePowerSupplyRange(±2.3Vto±18V)•HigherPerformancethanThreeOpAmpIADesigns•LowPower,1.3mAmaxSupplyCurrentPackages•dualin-linepackage(DIP)•CeramicDual-in-LinePackage(Cerdip)•Small-OutlineIntegratedCircuit(SOIC)–SOICnarrow;SOICwide;miniSOIC四、前置级共模能力的提高设计电路+选择电路参数+工艺设计+电路技术=好的微弱信号放大器前置级共模能力的提高屏蔽驱动浮地跟踪右腿驱动技术（一）屏蔽驱动-屏蔽线屏蔽层接地屏蔽层接到与共模输入信号相等的电位点（二）屏蔽驱动图2-10导联线分布电容的影响图2-11屏蔽驱动电路看懂了吗？浮地跟踪图2-12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A1A2的正、负电源的公共端相连接，使正、负电源浮置起来。前置级共模抑制比提高CMRR3倍背景知识：浮置浮置就是不要把电源回路接地，无论正负极或交流的任何一相等，这样电源两极对地阻抗是一样的，而干扰信号一般是对地的，这样浮置的回路对干扰就是对称的，干扰就因对电路是共轭而被抵消。（三）右腿驱动技术减小位移电流的干扰也可以采用右腿驱动电路图2-13（a）（b）右腿不接地而是接到A3输出端R0其到保护作用辅助放大器必须在微电流下工作的能力交流与自学•在等效电路图2-13(b)中，为什么连接Ucm的电阻为Ra/2，而不是Ra或2Ra•式（2-38）与实例分析第三节隔离级设计为什么使用隔离级设计保护人体安全屏蔽地线干扰减少工频干扰两个没有直接联系的电路第三节隔离级设计光电耦合电磁耦合光电耦合电-光-电重量轻、结构简单、成本低线性好，转换速度快与TTL电路兼容电磁耦合将放大电路前级的输出端通过变压器接到后级的输入端或负载电阻上，称为变压器耦合（或电磁耦合）各级放大器静止工作点相互独立低频特性差，不能放大变化缓慢的信号不能集成化可实现阻抗变换，在分立元件功率放大电路中得到广泛应用可用于电源隔离光电耦合与电磁耦合光电耦合•频率响应高•成本低•可以集成电磁耦合•对低频不行•线性度更好•共模抑制比更好•噪声性能更好•成本高•不可以集成作业•假如你是老师,请编写一份P33页的“实例分析”和P41式（2-28）的教案•利用网络等工具，编写一份我国心电图机市场调研的简报