第三章 信號放大與處理-2

1、生物醫(yī)學電子學生物醫(yī)學電子學生物醫(yī)學電子學第三章第三章 生理參數(shù)測量與處理生理參數(shù)測量與處理 Biomedical Electronics第一節(jié)第一節(jié) 生理參數(shù)測量生理參數(shù)測量放大器放大器第二節(jié)第二節(jié) 模擬濾波器模擬濾波器設計設計 生物醫(yī)學電子學基本差動放大電路輸入電阻不夠基本差動放大電路輸入電阻不夠高的根本原因在于差動輸入電壓高的根本原因在于差動輸入電壓是從放大器同相端和反相端同時是從放大器同相端和反相端同時加入的。如果把差動輸入信號都加入的。如果把差動輸入信號都從同相側送入，則能大大提高電從同相側送入，則能大大提高電路的輸入阻抗。路的輸入阻抗。生物電放大器前置級經常采用的生物電放大器前置級

2、經常采用的設計方案設計方案，實現(xiàn)阻抗變換：實現(xiàn)阻抗變換：（1 1）同相輸入結構；）同相輸入結構；（2 2）在差動放大電路前面增加）在差動放大電路前面增加一級緩沖級一級緩沖級( (同相電壓跟隨器同相電壓跟隨器), ),有有極高的輸入阻抗、較低的輸出阻極高的輸入阻抗、較低的輸出阻抗和很強的負載驅動能力?？购秃軓姷呢撦d驅動能力。2 2、同相并聯(lián)差動放大器（三運放）、同相并聯(lián)差動放大器（三運放）生物醫(yī)學電子學A A1 1、A A2 2組成同相并聯(lián)輸入第一級放大，作用是提高放大器組成同相并聯(lián)輸入第一級放大，作用是提高放大器的輸入阻抗，輸入阻抗可達到的輸入阻抗，輸入阻抗可達到10M10M以上以上A A3

3、3實現(xiàn)差動放大，作為放大器第二級實現(xiàn)差動放大，作為放大器第二級同相并聯(lián)結構前置放大電路同相并聯(lián)結構前置放大電路生物醫(yī)學電子學放大器分析放大器分析FiwiiFiwFiiidRUURUURUURRUUUUU01112202020112,有電流相等由、第一級輸出為設12011202)1 (U- )1 (:iwFiwFiwFiwFURRURRURRURRU得wFdiiwFRRAUURRUUU21:)(21 (:11201020第一級電壓增益解得生物醫(yī)學電子學 放大器的評價放大器的評價優(yōu)點優(yōu)點 第一級輸出不產生共模電流第一級輸出不產生共模電流 無須考慮外電路電阻匹配，保證它的共模抑制能力。電無須考慮外電

4、路電阻匹配，保證它的共模抑制能力。電位器位器Rw上的差動電壓決定整個電路工作電上的差動電壓決定整個電路工作電 流，而電位流，而電位器上的共模電壓對此電流毫無影響器上的共模電壓對此電流毫無影響 可方便增益調節(jié)可方便增益調節(jié) 結構對稱，有利于克服失調、飄移的影響結構對稱，有利于克服失調、飄移的影響缺點缺點 A1、A2各自各自CMRR的的差異會造成第一級差異會造成第一級CMRR12的下降的下降生物醫(yī)學電子學設設A A1 1、A A2 2的的CMRR1、CMRR2均為有限值，共模輸入電壓均為有限值，共模輸入電壓U Uic ic使使A A1 1在它的輸入端存在共模誤差電壓在它的輸入端存在共模誤差電壓U

5、Uic ic / / CMRR1，使使A A2 2在它的輸入端存在共模誤差電壓在它的輸入端存在共模誤差電壓U Uic ic / / CMRR2 在第一級輸出端存在共模誤差的輸出電壓在第一級輸出端存在共模誤差的輸出電壓 21211112CMRRCMRRCMRRCMRRAACMRRcd1121112)11()(dicoccdicicocACMRRCMRRUUAACMRRUCMRRUU第一級電路第一級電路CMRR12生物醫(yī)學電子學第一級放大電路的第一級放大電路的共模抑制能力共模抑制能力取決于運放器件取決于運放器件A A1 1和和A A2 2本身本身的的共模抑制比的差異共模抑制比的差異。為了使第一級放

6、大電路獲得高共模抑制。為了使第一級放大電路獲得高共模抑制比，比， A A1 1和和A A2 2本身本身的本身本身的CMRR1、CMRR2的數(shù)值是否高并不的數(shù)值是否高并不重要，重要的是它們的對稱性。重要，重要的是它們的對稱性。21211112CMRRCMRRCMRRCMRRAACMRRcd所以實現(xiàn)第一級放大電路的高共模抑制比并不困難，通常可達所以實現(xiàn)第一級放大電路的高共模抑制比并不困難，通?？蛇_到到100dB100dB以上。以上。dBCMRRdBCMRRdBCMRRdBCMRRdBCMRRdBCMRR160:,5 .80,8083:,90,80:12211221則若則若例生物醫(yī)學電子學因為不考慮

7、這一級共模電壓向差模電壓的轉化，因為不考慮這一級共模電壓向差模電壓的轉化，A A1 1、A A2 2輸輸出端就存在與輸入端相同的共模電壓。這樣，共模電壓在出端就存在與輸入端相同的共模電壓。這樣，共模電壓在輸出端占用了一定的工作范圍，致使差動信號的有效工作輸出端占用了一定的工作范圍，致使差動信號的有效工作范圍變小。范圍變小。為了割斷共模電壓在電路中的傳遞，最簡單、有效的方法為了割斷共模電壓在電路中的傳遞，最簡單、有效的方法是在是在A A1 1、A A2 2并聯(lián)電路的后邊接入一級差動放大，構成兩級并聯(lián)電路的后邊接入一級差動放大，構成兩級放大電路。放大電路。僅僅用僅僅用A A1 1、A A2 2構成

8、前置級是不足的構成前置級是不足的生物醫(yī)學電子學放大器的技術指標放大器的技術指標)111(:)21 (:1312033120121ddicccdicdiccFwFdddACMRRCMRRAUUAACMRRUACMRRUURRRRAAA總的共模增益總的共模輸出兩級總增益第一、二級的共模抑制比有限，共同造成了整個放大電路第一、二級的共模抑制比有限，共同造成了整個放大電路的共模輸出電壓，應用疊加原理，的共模輸出電壓，應用疊加原理，12313121:CMRRCMRRACMRRCMRRAAACMRRCMRRddcd兩級總生物醫(yī)學電子學313112:CMRRACMRRCMRRACMRRdd則若可以看到，同相

9、并聯(lián)差動放大電路構成生物電前置級時，可以看到，同相并聯(lián)差動放大電路構成生物電前置級時，其共模抑制能力取決于：其共模抑制能力取決于：A A1 1、A A2 2器件的器件的CMRRCMRR1 1和和CMRRCMRR2 2的對稱程度的對稱程度A A3 3運放器件的共模抑制比運放器件的共模抑制比差動放大的閉環(huán)增益以及差動放大的閉環(huán)增益以及R RF F、R R1 1電阻的匹配精度、同相并電阻的匹配精度、同相并聯(lián)的第一級差動增益。聯(lián)的第一級差動增益。嚴格挑選放大器的嚴格挑選放大器的CMRRCMRR1 1和和CMRRCMRR2 2參數(shù)時，第一級具有參數(shù)時，第一級具有較好的對稱性，因而較好的對稱性，因而 兩級

10、放大電路的共模抑制比主要取決于第一級的差動增益和第兩級放大電路的共模抑制比主要取決于第一級的差動增益和第二級的共模抑制能力二級的共模抑制能力 生物醫(yī)學電子學例：ECG前置放大器實用電路CMRR1=100dB,輸入阻抗輸入阻抗80M，電阻精度，電阻精度0.1%，求包括電極系統(tǒng)在內的放大電路的總共模抑制比。求包括電極系統(tǒng)在內的放大電路的總共模抑制比。 +-A1A2A301u02u1 iu2iu0u100K20K100K20K100K20K100K20K23K解：電極阻抗不平衡，將造成共模電壓向差模電壓的轉化，解：電極阻抗不平衡，將造成共模電壓向差模電壓的轉化，因此共模誤差電壓是由輸入回路、第一級、

11、第二級放大電路因此共模誤差電壓是由輸入回路、第一級、第二級放大電路共同產生的。共同產生的。生物醫(yī)學電子學1478,1000001001500104514155:,3422123001221 RDRDDdRddddiccdiciscCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRdBCMRRACMRRAAAACMRRUUAUZZUCMRRCMRRCMRR其中則設如果如果A A1 1、A A2 2的共模抑制比精密對稱，則第一級的共模抑制比的共模抑制比精密對稱，則第一級的共模抑制比CMRRCMRR1212視為的視為的 ，不產生共模誤差。只計算電極阻抗不平衡，不產生共模誤差。只計算電極阻抗不平衡引起的共模輸出

12、引起的共模輸出U UOCOC和和A A3 3組成的第二級共模抑制比有限產生組成的第二級共模抑制比有限產生的共模輸出的共模輸出U Uococ。生物醫(yī)學電子學dBCMRRAZZAACMRRCMRRCMRRAAZZUUAUCMRRAAZZUUUdiscdddisicccicddisccc801011:)(43132032000 總整個電路的共模增益由于電極阻抗不平衡造成總共模抑制比下降了由于電極阻抗不平衡造成總共模抑制比下降了20dB20dB。生物醫(yī)學電子學生物電放大器前置級的設計步驟生物電放大器前置級的設計步驟（1）器件選擇：）器件選擇：A1，A2共模抑制比嚴格對稱，共模抑制比嚴格對稱，CMRR之

13、差小于之差小于0.5dB。A3高共模抑制比，高共模抑制比，CMRR大于大于100dB。（2）第二級差動放大電路電阻匹配精度是影響共模抑第二級差動放大電路電阻匹配精度是影響共模抑制能力的主要因素，電阻制能力的主要因素，電阻匹配精度優(yōu)于匹配精度優(yōu)于0.1，對于兩，對于兩級差模增益的各種不同分配，總共模抑制比都有級差模增益的各種不同分配，總共模抑制比都有6dB6dB的的改善。常用精密電橋選擇高精度、高穩(wěn)定性的電阻，先改善。常用精密電橋選擇高精度、高穩(wěn)定性的電阻，先確定確定R Rl l、R R2 2，再由，再由A Ad2d2的設計值確定的設計值確定R RF F。最后，通過。最后，通過RF的調整進一步提

14、高精度的匹配。的調整進一步提高精度的匹配。 生物醫(yī)學電子學 前置級增益以及組成前置級的兩級放大電路的增前置級增益以及組成前置級的兩級放大電路的增益分配，都影響總的益分配，都影響總的CMRR。Ad1、Ad2互相制約，互相制約，但是但是Ad1值取得較高一些，有利于放大級總的共模抑值取得較高一些，有利于放大級總的共模抑制比的提高。制比的提高。 放大器各級增益的設計，受到低噪聲性能的限制。放大器各級增益的設計，受到低噪聲性能的限制。盡可能提高第一級電壓增益，有利于實現(xiàn)低噪聲性盡可能提高第一級電壓增益，有利于實現(xiàn)低噪聲性能。放大器總的噪聲系數(shù)主要取決于第一級，提高能。放大器總的噪聲系數(shù)主要取決于第一級，

15、提高第一級增益使信號質量改善，提高了信噪比。第一級增益使信號質量改善，提高了信噪比。 實驗表明：在實驗表明：在Ad1足夠大時，總的共模抑制比隨足夠大時，總的共模抑制比隨Ad1增加將十分緩慢。增加將十分緩慢。(3)(3)兩級增益分配適當兩級增益分配適當生物醫(yī)學電子學 為了獲得高輸入阻抗，并達到少用運放器件的目的，為了獲得高輸入阻抗，并達到少用運放器件的目的，還可以采用還可以采用同相串聯(lián)結構形式同相串聯(lián)結構形式的前置級設計。電路結構如的前置級設計。電路結構如圖所示，與同相并聯(lián)差動放大電路結構相比，少用了一圖所示，與同相并聯(lián)差動放大電路結構相比，少用了一個運放器件。差動信號均由同相端進入，個運放器件

16、。差動信號均由同相端進入，A1的輸出的輸出U01和和Ui2一起送入一起送入A2，從，從A2獲得單端輸出，稱之為串聯(lián)結構獲得單端輸出，稱之為串聯(lián)結構 3、同相串聯(lián)型放大器、同相串聯(lián)型放大器差動信號從兩個運算放大器的同相端送差動信號從兩個運算放大器的同相端送入，從而獲得很高的輸入電阻。差動輸入，從而獲得很高的輸入電阻。差動輸入電阻近似為兩個運算放大器的共模輸入電阻近似為兩個運算放大器的共模輸入電阻之和。如果兩個運算放大器共模入電阻之和。如果兩個運算放大器共模輸入電阻輸入電阻rc相等，則此串聯(lián)電路的差動相等，則此串聯(lián)電路的差動輸入電阻近似為輸入電阻近似為2rc，通常可高達幾十兆，通常可高達幾十兆歐，

17、完全滿足生物電放大器的要求。歐，完全滿足生物電放大器的要求。生物醫(yī)學電子學A A1 1構成同相放大電路，它的輸出電壓構成同相放大電路，它的輸出電壓 生物醫(yī)學電子學為了使共模增益為零，外電路電阻應按下式匹配為了使共模增益為零，外電路電阻應按下式匹配 RRRRRRRRRRFFFFF221121210)1 (放大電路的差動閉環(huán)增益為放大電路的差動閉環(huán)增益為 計算放大電路的共模抑制比，設兩對電阻的匹配誤差分別為計算放大電路的共模抑制比，設兩對電阻的匹配誤差分別為 生物醫(yī)學電子學得到共模增益得到共模增益 電阻失配誤差所限定的共模抑制比為電阻失配誤差所限定的共模抑制比為 和同相并聯(lián)結構類似，為了減小電阻失

18、配引起的共模誤差，提高和同相并聯(lián)結構類似，為了減小電阻失配引起的共模誤差，提高閉環(huán)增益是十分有意義的。閉環(huán)增益是十分有意義的。 生物醫(yī)學電子學 電路總的共模抑制能力，也是由運放器件電路總的共模抑制能力，也是由運放器件A A1 1、A A2 2的共模抑的共模抑制比制比CMRRCMRRl l、CMRRCMRR2 2與外回路電阻匹配誤差形成的與外回路電阻匹配誤差形成的CMRRCMRRD D共同決定的。共同決定的。 共模電壓同時加在兩個運放共模電壓同時加在兩個運放A A1 1、A A2 2的同相端。由于的同相端。由于A A2 2的反的反相作用，運放相作用，運放A Al l同相端的共模電壓經放大后，在輸

19、出端形成同相端的共模電壓經放大后，在輸出端形成的誤差電壓的極性，與的誤差電壓的極性，與A A2 2同相端的共模電壓經放大后在輸出同相端的共模電壓經放大后在輸出端形成的誤差電壓極性相反，兩者可以抵消?？梢宰C明，若端形成的誤差電壓極性相反，兩者可以抵消?？梢宰C明，若CMRRCMRRl l = CMRR= CMRR2 2 ，且滿足式匹配條件，則兩運放共模增益，且滿足式匹配條件，則兩運放共模增益產生的誤差電壓可完全抵消。產生的誤差電壓可完全抵消。 A A1 1的的CMRRCMRRl l有限產生的共模輸出，經過同相放大，在有限產生的共模輸出，經過同相放大，在 A A1 1的的輸出端形成的共模電壓為輸出端形成的共模電壓為生物醫(yī)學電子學A A2 2的輸出的輸出( (即放大電路的共模輸出即放大電路的共模輸出) )RRRRRRFFF2211把匹配關系把匹配關系代入得代入得生物醫(yī)學電子學同理，同理，A A2 2在其輸出端產生的共模電壓在其輸出端產生的共模電壓 電阻失配產生的共模輸出為電阻失配產生的共模輸出為 上列三項輸出端的共模電壓疊加，得到共模增益上列三項輸出端的共模電壓疊加，得到共模增益 所以，放大電路的總共模抑制比所以，放大電路的總共模抑制比生物醫(yī)學電子學同相串聯(lián)結構的放大電路