生物醫(yī)學(xué)信息

1、第一節(jié)生物電放大器前置級(jí)原理 i ss CMBA Z ZZ UUU 12 3 3低噪聲、低漂移低噪聲、低漂移 高阻抗源本身就帶來相當(dāng)可觀的熱噪聲，使輸入信號(hào)的質(zhì)量 很差。所以，為了獲得一定信噪比的輸出信號(hào)，對(duì)放大器的低 噪聲性能有嚴(yán)格的要求。理想的生物電放大器，能夠抑制外界 干擾使其減弱到和放大器的固有噪聲為同一數(shù)量級(jí)。放大的低 噪聲性能主要取決于前置級(jí)，正確設(shè)計(jì)放大器的增益分配，在 前置級(jí)的噪聲系數(shù)較小時(shí)，可以獲得良好的低噪聲性能。前置 級(jí)的低噪聲設(shè)計(jì)，是整個(gè)放大器設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。 放大電路總的增益為： 整個(gè)放大器的總的共模抑制比CMRR為： 理論上，為了提高放大器的CMRR，可以使外電路電

2、阻失配造成的共模誤 差電壓與集成器件本身產(chǎn)生的共模誤差電壓互相抵消，以使Ac趨近于零。但 實(shí)際上，外回路電阻的阻值隨溫度、時(shí)間而漂移，加之CMRRD的非線性影 響，這種補(bǔ)償方法的效果是很有限的。經(jīng)過精心的調(diào)整，可以獲得CMRR比 CMRRR高一個(gè)數(shù)量級(jí)的改進(jìn)。 差動(dòng)放大電路的共模抑制能力受到放大電路的閉環(huán)增益、外電路電阻匹配 精度以及放大器件本身的CMRRD等諸多因素的影響。在設(shè)計(jì)過程中，為實(shí) 現(xiàn)一定的CMRR值，應(yīng)根據(jù)被放大的信號(hào)、采用的電路結(jié)構(gòu)，予以考慮。 121 R R UU U U U A F ii o id o d RD RD c d CMRRCMRR CMRRCMRR A A CM

3、RR 三、差動(dòng)放大應(yīng)用電路三、差動(dòng)放大應(yīng)用電路 上述基本差動(dòng)放大電路輸入電阻不夠高的根本原因在于差動(dòng)輸入電壓是 從放大器同相端和反相端兩側(cè)同時(shí)加入的。如果把差動(dòng)輸入信號(hào)都從同相 端送入，則能大大提高電路的輸入阻抗。方法有：采用同相輸入結(jié)構(gòu)或在 差動(dòng)放大電路前面增加一級(jí)緩沖級(jí)（同相電壓跟隨器），實(shí)現(xiàn)阻抗變換。 同相并聯(lián)差動(dòng)放大結(jié)構(gòu)電路作為生物電放大器前置級(jí)的設(shè)計(jì)步驟為： （1）器件選擇。通過測(cè)量，確定共模抑制比嚴(yán)格對(duì)稱的A1、A2（通常相差不 應(yīng)超過0.5dB）和高共模抑制比參數(shù)的A3（通常大于100dB）。這樣進(jìn)行挑選 之后，器件本身將不成為放大電路的共模抑制比的限制因素。 （2）在影響共模抑

4、制能力的諸因素中，第二級(jí)差動(dòng)放大電路中電阻的匹配精 度是主要的。 （3）前置級(jí)增益以及組成前置級(jí)的兩級(jí)放大電路的增益分配，都影響總的 CMRR值。在前置級(jí)增益確定之后，Ad1、Ad2互相制約。但是Ad1取得較高一 些，是有利于總的共模抑制能力的提高的。而Ad2相應(yīng)減小雖然會(huì)造成CMRRR 的下降，但對(duì)總的共模抑制比的影響相對(duì)比較小。 放大器各級(jí)增益的設(shè)計(jì)，實(shí)際受到低噪聲性能的限制。從第一章第二節(jié)可 知，多級(jí)放大器的噪聲系數(shù)F，在第一級(jí)增益較高時(shí)，后邊各級(jí)的噪聲系數(shù)的 影響相對(duì)減小，放大器總的噪聲系數(shù)主要取決于第一級(jí)。提高第一級(jí)增益使 信號(hào)質(zhì)量改善，提高了信噪比；實(shí)驗(yàn)證明，盡可能提高第一級(jí)電壓增

5、益，有 利于實(shí)現(xiàn)低噪聲性能。 四、前置級(jí)共模抑制能力的提高 1、屏蔽驅(qū)動(dòng) 從與人體相接觸的電極到測(cè)量系統(tǒng)，通常有大于lm的距離。 例如ECG，EEG體表電極到前置放大器之間有數(shù)根約lm的導(dǎo)聯(lián)引線。 導(dǎo)聯(lián)引線用屏蔽電纜，這樣，信號(hào)通過電纜傳輸時(shí)，在信號(hào)線 （芯線）和電纜屏蔽層之間將有可觀的分布電容。屏蔽層接地時(shí)， 分布電容變?yōu)榉糯笃鬏斎攵藢?duì)地的寄生電容C1、C2。兩根導(dǎo)聯(lián)線 的分布電容不可能是完全相等的，加之電極阻抗Rs的不平衡，則 Rs1C1Rs2C2，從而造成共模電壓的不等量的衰減，使放大器的 CMRR下降。 使屏蔽層電容不起衰減作用就可消除屏蔽層電容的不良影響。例如，導(dǎo)聯(lián) 線的屏蔽層不予接

6、地，而接到與共模輸入信號(hào)相等的電位點(diǎn)上，則共模電 壓就能不衰減地傳送到差動(dòng)放大器輸入端，從而不會(huì)產(chǎn)生共模量不等量衰 減形成的共模誤差。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，取出放大電路的共模電壓用以驅(qū)動(dòng) 屏蔽層，使分布電容C1、C2的端電壓保持不變，即C1、C2對(duì)共模電壓不產(chǎn) 生分流，產(chǎn)生在共模電壓作用下電纜屏蔽層分布電容不復(fù)存在的等效效果。 屏蔽驅(qū)動(dòng) 2浮地跟蹤 把輸入前的接地端浮置并跟蹤共模電壓，即相當(dāng)于器件的偏置電壓都 跟蹤共模輸入電壓。這樣，共模電壓不能隨著信號(hào)一起被放大，從而放大器 輸出端產(chǎn)生的共模誤差電壓便大大被削弱，這就相當(dāng)于提高了放大器的共模 抑制能力。 緩沖放大器A3不但驅(qū)動(dòng)輸入導(dǎo)聯(lián)線的屏蔽層，而

7、且輸出端與A1、A2的正、 負(fù)電源的公共端相連接，使正、 負(fù)電源浮置起來。如果A3具有 理想特性，則正、負(fù)電源電壓的 漲落幅度與共模輸入電壓的大小 完全相同。雖然共模輸入電壓照 樣加在A1、A2的同相端，但卻因 放大器本身電源對(duì)共模輸入信號(hào) 的跟蹤作用，使其影響大大削弱。 浮地跟蹤 a F d cm R R IR V 2 1 0 第二節(jié) 隔離級(jí)設(shè)計(jì) 一、光電耦合 由PN結(jié)構(gòu)成的光電耦合器件包含有一個(gè)作為發(fā)送輻射部件的發(fā)光二極管 和一個(gè)作為輻射探測(cè)器的光電二極管或光電晶體管（包括達(dá)林頓晶體管）， 分別稱之為光電二極管耦合光電二極管耦合和光電晶體管耦合光電晶體管耦合。光電晶體按照晶體管的電流 增益

8、放大光電二極管的電流，具有0.1一0.5的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)。為了提高電流 轉(zhuǎn)移系數(shù)，改用達(dá)林頓晶體管形式，構(gòu)成達(dá)林頓光電晶體管，可以獲得1 10的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)。光電耦合器件的工作頻率，受光電晶體管基極和集電極 之間的電容的影響，不加補(bǔ)償改進(jìn)的簡(jiǎn)單應(yīng)用電路的頻率上限為100kHZ，而 光電二極管耦合器可以獲得IMHZ的工作頻率。 用于模擬信號(hào)的耦合轉(zhuǎn)換，首先要求光電耦合器具有很好的線性特性。 光電晶體管轉(zhuǎn)移特性 光電耦合器件的工作頻率，受光電晶體管基極和集電極之間的電容的 影響，不加補(bǔ)償改進(jìn)的簡(jiǎn)單應(yīng)用電路的頻率上限為100kHZ，而光電二極管耦 合器可以獲得1MHZ的工作頻率。 例:日本光電ECG-

9、6511心電圖機(jī)前置放大器光電耦合分析 選用國內(nèi)市場(chǎng)廣泛出售的光電晶體管耦合器TIL117。它利用兩個(gè)光電器件 特性的對(duì)稱性提高耦合級(jí)電路的線性度。PHl和PH2是經(jīng)過嚴(yán)格挑選的特性對(duì) 稱的兩個(gè)光電耦合器，運(yùn)放A1和運(yùn)放A2工作在線性狀態(tài)。A1通過PH1形成負(fù) 反饋。PH1、PH2的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)分別是1和2，在靜態(tài)時(shí)，根據(jù)運(yùn)算放大 器的理想特性及電路的結(jié)構(gòu)可知，Ii=I1，電容C中的電流為0。當(dāng)信號(hào)Ui到達(dá) 平衡時(shí)，有： 由于PH1和PH2特性對(duì)稱，對(duì)應(yīng)某確定的ID值， 1=2 ，所以: )2(1ln2 1 4321 0 RRRC f oinGG ISO out RRRRIMRR V VVV

10、21 6 21 10 二、電磁耦合 電磁耦合即變壓器耦合。與光電耦合方式相比較，工藝復(fù)雜，成本高， 體積大，應(yīng)用不便。因?yàn)樽儔浩鞑豢赡軅鬟f低頻或直流信號(hào)，所以對(duì)低頻或 直流信號(hào)必須首先通過調(diào)制電路，把低頻信號(hào)調(diào)制在高頻載波上，經(jīng)過變壓 器耦合后，再解調(diào)，恢復(fù)生物信號(hào)。 變壓器隔離方式的線性度、 共模抑制比都比光電耦合 方式高，但是變壓器耦合 的頻率響應(yīng)不及光電耦合 高。隨著頻率響應(yīng)的改善、 提高，變壓器耦合器件的 成本將增加很多。但變壓 器耦合的噪聲性能相對(duì)較好。 3 3低噪聲、低漂移低噪聲、低漂移 高阻抗源本身就帶來相當(dāng)可觀的熱噪聲，使輸入信號(hào)的質(zhì)量 很差。所以，為了獲得一定信噪比的輸出信號(hào)

11、，對(duì)放大器的低 噪聲性能有嚴(yán)格的要求。理想的生物電放大器，能夠抑制外界 干擾使其減弱到和放大器的固有噪聲為同一數(shù)量級(jí)。放大的低 噪聲性能主要取決于前置級(jí)，正確設(shè)計(jì)放大器的增益分配，在 前置級(jí)的噪聲系數(shù)較小時(shí)，可以獲得良好的低噪聲性能。前置 級(jí)的低噪聲設(shè)計(jì)，是整個(gè)放大器設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。 三、差動(dòng)放大應(yīng)用電路三、差動(dòng)放大應(yīng)用電路 上述基本差動(dòng)放大電路輸入電阻不夠高的根本原因在于差動(dòng)輸入電壓是 從放大器同相端和反相端兩側(cè)同時(shí)加入的。如果把差動(dòng)輸入信號(hào)都從同相 端送入，則能大大提高電路的輸入阻抗。方法有：采用同相輸入結(jié)構(gòu)或在 差動(dòng)放大電路前面增加一級(jí)緩沖級(jí)（同相電壓跟隨器），實(shí)現(xiàn)阻抗變換。 四、前置級(jí)共模抑制能力的提高 1、屏蔽驅(qū)動(dòng) 從與人體相接觸的電極到測(cè)量系統(tǒng)，通常有大于lm的距離。 例如ECG，EEG體表電極到前置放大器之間有數(shù)根約lm的導(dǎo)聯(lián)引線。 導(dǎo)聯(lián)引線用屏蔽電纜，這樣，信號(hào)通過電纜傳輸時(shí)，在信號(hào)線 （芯線）和電纜屏蔽層之間將有可觀的分布電容。屏蔽層接地時(shí)， 分布電容變?yōu)榉糯笃鬏斎攵藢?duì)地的寄生電容C1、C2。兩根導(dǎo)聯(lián)線 的分布電容不可能是完全相等的，加之電極阻抗Rs的不平衡，則 Rs1C1Rs2C2，從而造成共模電壓的不等量的衰減，使放大器的 CMRR下降。 使屏蔽層電容不起衰減作用就可消除屏蔽層電容