Chapter6 生理類儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(2)new

第六章

生理類儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲、低漂移設(shè)置保護(hù)電路等。6.2.3前置放大器基本要求-高輸入阻抗生物信號(hào)是高內(nèi)阻的弱信號(hào)源電極提取時(shí)，呈不穩(wěn)定高內(nèi)阻源特性內(nèi)阻因人而異，且因生理狀況而異與電極的位置有關(guān)源阻抗不穩(wěn)定，導(dǎo)致放大器電壓增益不穩(wěn)定----影響測(cè)量精度和穩(wěn)定性消除信號(hào)源高內(nèi)阻的方法：采用更高輸入阻抗的放大器----否則會(huì)在輸出端產(chǎn)生干擾前置放大器US=生物信號(hào)電壓RT1,RT2=人體電阻，幾百～幾十歐姆RS1,RS2=電極與皮膚的接觸電阻，幾K~150K歐姆E1,E2=電極極化電壓，幾十～幾百mVCS1,CS2=電極與皮膚之間的分布電容，幾～幾十pFRC1,RC2=信號(hào)線和放大器輸入保護(hù)電阻，<30K歐姆Ri=放大器輸入電阻C1,C2=信號(hào)線對(duì)地電容RC1粗略估計(jì)放大器輸入端信號(hào)源內(nèi)阻Zs1、Zs2約100k。如果放大器輸入阻抗為10M，源內(nèi)阻與放大器輸入阻抗相比為1:100。上述各種因素造成的失真和誤差可減小到1%。前置放大器討論：如果信號(hào)源內(nèi)阻從2KΩ變化到150KΩ，在Zi＝1MΩ的情況下，Ad’的不穩(wěn)定性為12.8%在Zi＝5MΩ的情況下：Ad’的不穩(wěn)定性下降為2.8%放大器的輸入阻抗越高，測(cè)量穩(wěn)定性越高；高輸入阻抗也是高共模抑制比的必要條件。討論：

Zs1和Zs2相差5kΩ，則對(duì)于10mV的共模干擾電壓，若打算限制在10μV以下，求放大器的輸入阻抗進(jìn)一步說(shuō)明了，對(duì)生物信號(hào)放大器，需要高的輸入阻抗前置放大器基本要求-高共模抑制比為了抑制人體攜帶的工頻干擾及其它生活干擾，需高CMRR（60~80dB）源阻抗Zs1與Zs2的不平衡會(huì)造成輸入轉(zhuǎn)化為差模輸入，造成干擾。由于運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，為了便于分析，常將其理想化——理想運(yùn)放。理想運(yùn)放的條件放大倍數(shù)與負(fù)載無(wú)關(guān)。分析多個(gè)運(yùn)放級(jí)聯(lián)組合的線性電路時(shí)可以分別對(duì)每個(gè)運(yùn)放進(jìn)行。運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)集成運(yùn)放虛短路虛開路集成運(yùn)放輸入阻抗差分輸入阻抗，共模輸入阻抗共模抑制比CMRR=Ad/Ac偏置電流0輸入失調(diào)電壓為0輸入噪聲Vni=Vno/G反相比例運(yùn)算放大器_++R2R1RPuiuoi1i2輸入電阻Ri=R1同相比例運(yùn)算放大器_++R2R1RPuiuo輸入電阻高差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路:

信號(hào)作為極性相反的差模信號(hào)被放大。而干擾作為共模信號(hào)被抑制。生物電放大器前置級(jí)通常采用差動(dòng)放大電路結(jié)構(gòu)。差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器實(shí)際情況電阻值有誤差外回路不能達(dá)到完全對(duì)稱平衡Uoc很小，但不為0，CMRR也不為無(wú)窮大定義CMRRR：外電路電阻匹配精度所限定的放大器共模抑制比CMRRD:集成器件本身的共模抑制比分析放大器的共模增益

——電阻精度所限定的共模抑制比CMRRR

分析放大器的共模增益小，共模增益才小由電阻精度限定的放大器共模抑制比為例如：Ad=1000＝0.1,CMRRR為80dB數(shù)量級(jí)＝0.01,CMRRR為100dB數(shù)量級(jí)結(jié)論CMRRR與電阻精度有關(guān)，與放大器閉環(huán)差模增益Ad有關(guān)。越小，Ad越大，則放大器共模抑制比越大。分析放大器的共模增益

——集成器件本身的共模抑制比CMRRD實(shí)際運(yùn)放的CMRR受集成器件CMRRD

的影響對(duì)差動(dòng)放大器影響的推導(dǎo)：CMRRD

存在必產(chǎn)生共模輸出電壓。由共模抑制比定義,CMRRD為放大器差動(dòng)增益A’d=Ad與共模增益A’c之比,即按定義共模增益Ac’為共模輸出電壓與共模輸入電壓之比,即共模輸出電壓Uoc’可用一折合到放大器輸入端的共模誤差電壓(即Uic’)表示為即公式表明：由于運(yùn)放大本身CMRRD≠∞，共模輸出Uoc’可等效為一個(gè)輸入端共模誤差電壓,即等效的非有用信號(hào)的差模電壓Uic’共模誤差電壓Uic’將按差模增益被放大，但它不是信號(hào)而是類似干擾的誤差，稱共模誤差電壓。共模誤差電壓Uic’是由于器件本身CMRRD有限而產(chǎn)生。可按等效原理計(jì)算CMRRD等效變換過(guò)程：有共模輸入，差動(dòng)放大器有限CMRRD，等效轉(zhuǎn)換為共模誤差電壓Uic’結(jié)論：上述轉(zhuǎn)換可以推廣：對(duì)任何一種器件，只要CMRR有限，都可以理解為該器件輸入有一個(gè)共模轉(zhuǎn)化成差模而形成共模誤差電壓Uic’。Uic’的計(jì)算：為共模輸入與器件共模抑制比的比值。Uic’的作用：可同差模一樣進(jìn)行放大。差動(dòng)放大器共模抑制比計(jì)算差動(dòng)放大器CMRR：由外回路電阻精度引起的CMRRR和器件本身CMRRD兩部分組成在差動(dòng)放大電路輸出端產(chǎn)生總的共模輸出電壓為AcR為僅考慮電阻的共模增益,Ad為差模增益差動(dòng)放大電路總共模增益為差動(dòng)放大電路總共模抑制比CMRR是例1．已知差動(dòng)放大電路所用的IC器件共模抑制比CMRRD=100dB,放大電路閉環(huán)差動(dòng)增益Ad=20,電阻誤差δ=±0.1%。求差動(dòng)放大電路的共模抑制比。當(dāng)Ad=1時(shí)放大器的總共模抑制比又是多少？解：因電阻精度的共模抑制比為放大器的總共模抑制比結(jié)論考慮失配和器件本身的共模抑制比時(shí)，放大器的CMRR進(jìn)一步下降CMRR受三個(gè)因素的影響放大器閉環(huán)增益外電路匹配精度放大器件本身的CMRRD差動(dòng)放大器的輸入阻抗Ri=2R1同相并聯(lián)差動(dòng)放大輸入阻抗可達(dá)到10M第一級(jí)：A1，A2的作用是提高輸入阻抗，對(duì)稱結(jié)構(gòu)可抑制共模干擾第二級(jí)：A3實(shí)現(xiàn)差動(dòng)放大測(cè)量放大器的分析測(cè)量放大器的評(píng)價(jià)優(yōu)點(diǎn)第一級(jí)輸出回路里不產(chǎn)生共模電流無(wú)須考慮外電路電阻匹配可方便增益調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，有利于克服失調(diào)、漂移的影響測(cè)量放大器的評(píng)價(jià)缺點(diǎn)A1，A2各自的CMRRD的差異會(huì)造成第一級(jí)CMRR12的下降第一級(jí)電路CMRR12取決A1和A2本身共模抑制比的差異。為使第一級(jí)獲得高共模抑制比，A1,A2器件CMRR1和CMRR2的數(shù)值是否高并不重要，重要的是它們的對(duì)稱性。（實(shí)際使用時(shí)同相并聯(lián)電路后必須有一級(jí)差動(dòng)放大，消除雙端共模電壓。）測(cè)量放大器的技術(shù)指標(biāo)例2：圖示為一同相并聯(lián)結(jié)構(gòu)的ECG前置級(jí)實(shí)用電路，所用器件共模抑制比均為100dB。輸入回路中兩電極阻抗分別為20kΩ、23kΩ。放大器輸入阻抗實(shí)際有80MΩ，放大器中所用電阻精度=0.1%,其它參數(shù)如圖所示。求包括電極系統(tǒng)在內(nèi)的放大電路的總共模抑制比。共模誤差電壓由輸入回路電阻、第一級(jí)、第二級(jí)放大電路共同產(chǎn)生的。電極阻抗不平衡，將造成共模電壓向差模電壓的轉(zhuǎn)化。如果嚴(yán)格選擇A1、A2共模抑制比對(duì)稱性；則第一級(jí)共模抑制比CMRR12可視為∞,它不在輸出端產(chǎn)生共模誤差只需計(jì)算電極阻抗不平衡引起共模輸出Uoc’：和A3組成的第二級(jí)共模抑制比有限產(chǎn)生共模輸出Uoc”。其中總差模增益：Ad=Ad1Ad2=55對(duì)于差動(dòng)放大器A3：CMRRR=（1+Ad2）/4

=(1+5)/(4×10-3)=1500CMRRD=100(dB)=105差動(dòng)放大器總共模抑制比由輸入回路和第二級(jí)放大電路共同在輸出端產(chǎn)生共模誤差為：整個(gè)電路共模增益為：總共模抑制比為由于電極阻抗不平衡造成總共模抑制比下降了4dB。生物電放大器前置級(jí)設(shè)計(jì)步驟為：(1)器件選擇:通過(guò)測(cè)量,確定A1,A2共模抑制比嚴(yán)格對(duì)稱（通常相差不應(yīng)超過(guò)0.5dB）和A3共模抑制比應(yīng)該很高（通常大于100dB）(2)電阻精度δ:

第二級(jí)差動(dòng)放大電路中電阻的匹配精度是主要的。（典型設(shè)計(jì)中電阻精度δ從0．2％提高到0．1％時(shí)，對(duì)于兩級(jí)差模增益的各種不同分配，總共模抑制比都有6dB的改善。）(3)前置級(jí)增益Ad1:前置級(jí)增益確定后，Ad1,Ad2互相制約，但Ad1值取得較高一些，是有利于總共摸抑制能力提高的。前置級(jí)共模抑制能力改善的方法對(duì)于實(shí)際生物電信號(hào)前置級(jí)放大器，除上述方法外，還通過(guò)其它電路設(shè)計(jì)方法，使放大器獲得更高的共模抑制能力例如共模屏蔽驅(qū)動(dòng)，共模驅(qū)動(dòng)等屏蔽層驅(qū)動(dòng)引線屏蔽層與芯線間的電容Cs1,Cs2。大約為200-300pF,在50Hz下容抗為幾個(gè)兆歐，與放大器輸入阻抗大小接近。若接地，Cs1,Cs2的分流效應(yīng)明顯減小放大器輸入阻抗。此外，分流效應(yīng)不均衡，將使得放大器CMRR大大下降。若不接地，而用取自放大器的反饋共模電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)引線屏蔽層。則Cs1,Cs2兩端均承受共模電壓Uc，結(jié)果使Cs1,Cs2對(duì)共模電壓不產(chǎn)生分流效應(yīng)。屏蔽層驅(qū)動(dòng)屏蔽層驅(qū)動(dòng)A1A3A2用一簡(jiǎn)單電阻網(wǎng)絡(luò)R-R接在A1、A2輸出端，在此網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)取出A1，A2輸出電壓的平均值，這一平均電壓即等于Uic。經(jīng)過(guò)緩沖放大器A3驅(qū)動(dòng)屏蔽層，從而消除共模電壓由C1、C2引起的不均衡衰減。使引線屏蔽層分布電容兩端電壓保持相等。右腿驅(qū)動(dòng)由于接地阻抗ZG的存在，產(chǎn)生共模電壓Uc如果設(shè)法將輸入至心電放大器的共模電壓倒相后反饋至右腿，以抵消右腿上的共模電壓Uc，結(jié)果可消除Uc。四個(gè)電極的平均電壓，即人體共模干擾電壓。通過(guò)反相，加到人體右腿。與人體共模干擾電壓相抵消。心電前置放大電路（INA118）心電前置放大電路（AD620）隔離級(jí)設(shè)計(jì)目的：實(shí)現(xiàn)人體與電氣隔離意義：保證人體絕對(duì)安全消除地線中的干擾電流方式變壓器耦合光電耦合光電耦合光電耦合器件光電耦合二極管光電耦合三極管工作頻率<100KHz（三極管）；<1MHz（二極管）電磁耦合2.電磁耦合即采用變壓器耦合電磁耦合說(shuō)明調(diào)制：因變壓器不能放大直流或低頻信號(hào)，因此對(duì)直流需要調(diào)制；浮地放大器的直流電源由載波發(fā)生器（幾十KHz~幾百KHz），隔離放大器通過(guò)整流濾波獲得優(yōu)缺點(diǎn)線性度CMRR比光電耦合的好但是頻率響應(yīng)不如光電耦合的好前置放大器還需要：低噪聲低漂移合適的頻帶寬度和動(dòng)態(tài)范圍。低噪聲高阻抗源本身就帶有可觀的熱噪聲，使輸入信號(hào)質(zhì)量很差。放大器的低噪聲性能主要取決于前置級(jí)。按照低噪聲原則設(shè)計(jì)：多級(jí)放大器總的噪聲系數(shù)主要取決于第一級(jí)。一般來(lái)說(shuō)，在滿足其他條件的情況下，第一級(jí)放大器設(shè)計(jì)時(shí)增益應(yīng)盡可能提高。還要采用嚴(yán)格的裝配工藝。直流放大器零點(diǎn)漂移生物電信號(hào)中有頻率很低的成分，因此要用直流放大器。直流放大器的特點(diǎn)是：無(wú)論信號(hào)源與放大器的耦合，放大器級(jí)間耦合，放大器與負(fù)載的耦合，都采用直接耦合，而不是電容耦合。因此，將輸入短對(duì)地短路時(shí)候，放大器輸出端電壓也不為0，而有緩慢變化。叫直流放大器的零點(diǎn)漂移。溫度漂移引起零點(diǎn)漂移的因素有：電源電壓的變化，環(huán)境溫度的改變，元件的老化。以溫度變化所引起的零點(diǎn)漂移最為突出。稱為溫漂。減小溫漂的措施電路輸入級(jí)用差動(dòng)式。溫漂作為共模信號(hào)被抑制。元器件的挑選。安裝工藝。參數(shù)互相配合。前一級(jí)和后一級(jí)溫漂方向可以相反，互相抵消。引入共模負(fù)反饋。不僅能抑制溫度漂移，對(duì)其他共模干擾也可抑制。部分生物電放大器的參數(shù)

ECGEEGVEPEMG輸入阻抗>1M>5M>200M>100M輸入短路噪聲<10uV<3uV<0.7uV<8uV共模抑制比>60dB>80dB>100dB>80dB頻帶0.05~250Hz0.5~70Hz0.5~3KHz2~10KHzECG放大電路1.按信號(hào)性質(zhì)分類3.按電路功能分類:

低通濾波器；高通濾波器；帶通濾波器；帶阻濾波器2.按所用元件分類模擬濾波器和數(shù)字濾波器無(wú)源濾波器和有源濾波器4.按階數(shù)分類:

一階，二階…

高階濾波器傳遞函數(shù)：幅頻特性相頻特性濾波器傳遞函數(shù)的定義生理放大器濾波電路設(shè)計(jì)理想濾波器LPFBEFHPFBPF無(wú)源濾波器和有源濾波器無(wú)源濾波器：僅由電阻、電容、電感等無(wú)源元器件組成，不需外部供電電源適用于大功率信號(hào)的濾波適用于高頻信號(hào)的濾波（>10MHz）穩(wěn)定性好，線性度好有源濾波器：使用有源元器件，如運(yùn)放避免使用電感（在低頻濾波應(yīng)用中，體積大且易拾取電磁干擾信號(hào)可以通過(guò)調(diào)整電阻調(diào)整濾波器響應(yīng)易于前后級(jí)隔離，不受干擾受運(yùn)放自身頻率響應(yīng)限制的影響RCR1.一階RC低通濾波器(無(wú)源)傳遞函數(shù)幅頻特性一.低通濾波器0