3生物醫(yī)學(xué)常用放大器詳解

第三章生物醫(yī)學(xué)常用放大器變換器電子技術(shù)處理顯示記錄一般診斷裝置的原理框圖機(jī)體參數(shù)從人體獲得的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，再經(jīng)過濾波、放大、顯示等一系列處理過程，才能為醫(yī)學(xué)爭(zhēng)論和臨床診斷供給牢靠的客觀依據(jù)。本章在前面放大電路根本原理的根底上，首先介紹生物電信號(hào)特點(diǎn)、頻譜及常用的幾種濾波電路，然后重點(diǎn)爭(zhēng)論負(fù)反響放大器、直流放大器的工作原理及特點(diǎn)，最終簡(jiǎn)述功率放大器。根本內(nèi)容：1、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)及其頻譜2、負(fù)反響放大器3、直流放大器4、功率放大器第一節(jié)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)及頻譜非生物電信號(hào)：是由于人體各種非電活動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)，如心音、血壓波、呼吸、體溫等。生物信號(hào)：攜帶生物信息的信號(hào)。生物電信號(hào)：是由于人體內(nèi)各種神經(jīng)細(xì)胞自發(fā)地或在各種刺激下產(chǎn)生和傳遞的電脈沖，肌肉在進(jìn)展機(jī)械活動(dòng)時(shí)也伴有電活動(dòng)所產(chǎn)生的信號(hào)，如心電、腦電、肌電等。醫(yī)學(xué)中還常通過在人體上施加一些物理因素的方法來獲得生物信號(hào)，如各種阻抗圖，它以數(shù)十千赫溝通電通過人體的肯定部位，獲得阻抗或?qū)Ъ{變化的波形圖；又如超聲波診斷儀器，它向人體放射脈沖式的超聲波，通過回波方式獲得的生物信號(hào)。另外還有通過在體外檢測(cè)人體樣品的儀器、生理參數(shù)遙測(cè)儀器和放射性探測(cè)儀器等獵取的生物信號(hào)?！獛椭a(chǎn)生一、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)1、頻帶范圍DC---幾KHZ直流放大器頻率低頻帶寬 〔放大低頻信號(hào)〕一、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)2、信號(hào)弱〔幅度低〕高放大倍數(shù)、低噪聲μV—mV 3、內(nèi)阻大輸入級(jí)高輸入阻抗

MΩ級(jí)4、信噪比低噪聲〔干擾〕來源：生物體內(nèi)部、空間電磁干擾、放大器、電源。一、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)二、生物醫(yī)學(xué)放大器的根本要求1、高放大倍數(shù)2、高輸入阻抗3、高共模抑制比4、低噪聲5、低漂移6、適當(dāng)?shù)念l響第三章生物醫(yī)學(xué)常用放大器其次節(jié)負(fù)反響放大器一、反響的概念但凡將放大電路輸出端的信號(hào)〔電壓或電流〕的一局部或全部引回到輸入端，與輸入信號(hào)迭加，就稱為反響。假設(shè)引回的信號(hào)減弱了輸入信號(hào)，就稱為負(fù)反響。假設(shè)引回的信號(hào)增加了輸入信號(hào)，就稱為正反響。這里所說的信號(hào)一般是指溝通信號(hào)，所以推斷正負(fù)反響，就要推斷反響信號(hào)與輸入信號(hào)的相位關(guān)系，同相是正反響，反相是負(fù)反響。取+加強(qiáng)輸入信號(hào)正反響用于振蕩器取-減弱輸入信號(hào)負(fù)反響用于放大器負(fù)反響的作用：穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)；穩(wěn)定放大倍數(shù)；提高輸入電阻；降低輸出電阻；擴(kuò)展通頻帶。反響框圖：放大器A輸出Xo開環(huán)閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò)F±疊加反饋信號(hào)實(shí)際被放大信號(hào)輸入XiXdXf二、負(fù)反響的根本類型〔一〕電壓反響和電流反響1、電壓反響：反響信號(hào)取自輸出電壓信號(hào)。推斷：設(shè)輸出電壓為零〔輸出端短路〕，反響信號(hào)也為零。2、電流反響：反響信號(hào)取自輸出電流信號(hào)。推斷：設(shè)輸出電壓為零〔輸出端短路〕，反響信號(hào)不為零。依據(jù)反響所采樣的信號(hào)不同，可以分為電壓反響和電流反響。依據(jù)反響信號(hào)在輸入端與輸入信號(hào)比較形式的不同，可以分為串聯(lián)反響和并聯(lián)反響。1、串聯(lián)反響：反響信號(hào)與輸入信號(hào)串聯(lián)〔反響電壓信號(hào)與輸入信號(hào)電壓比較〕〔二〕串聯(lián)反響和并聯(lián)反響ufuiubeube=ui-uf串聯(lián)反響使電路的輸入電阻增大。iifibib=i-if2、并聯(lián)反響：反響信號(hào)與輸入信號(hào)并聯(lián)，(即反響信號(hào)電流與輸入信號(hào)電流比較。)并聯(lián)反響使電路的輸入電阻減小?！踩痴?、負(fù)反響的推斷承受瞬時(shí)極性法推斷，具體步驟為：事先假定放大器的輸入端對(duì)地加一個(gè)正的輸入信號(hào)，然后依據(jù)放大器的組態(tài)逐極推斷出各個(gè)相關(guān)點(diǎn)的極性，直至輸出信號(hào)的極性，然后推斷反響信號(hào)的極性，確定是正反響還是負(fù)反響?！菜摹乘姆N形式的負(fù)反響放大電路關(guān)于負(fù)反響的方式來看：當(dāng)反響信號(hào)取自輸出電壓的時(shí)，稱電壓負(fù)反響；當(dāng)反響信號(hào)取自輸出電流時(shí)，稱電流負(fù)反響。從反響信號(hào)與輸入信號(hào)的連接方式來看：當(dāng)反響信號(hào)與輸入信號(hào)是串聯(lián)在一起掌握輸入信號(hào)電壓大小的，稱為串聯(lián)負(fù)反響；與輸入信號(hào)是并聯(lián)在一起掌握輸入信號(hào)電流大小的，稱為并聯(lián)負(fù)反響。歸納起來，負(fù)反響共有四種方式，即電壓串聯(lián)負(fù)反響、電流串聯(lián)負(fù)反響、電壓并聯(lián)負(fù)反響、電流并聯(lián)負(fù)反響。1、電壓串聯(lián)負(fù)反響+UCCC1RB1REC2RB2ubeufui在輸入回路中，Re上的反響電壓與加在三極管基極上的輸入信號(hào)電壓是串聯(lián)關(guān)系，相加的結(jié)果是基極上輸入電壓的變化量相應(yīng)削減，所以是負(fù)反響。＋＋(1)有無反響

反響元件:Rexf=uRe=uoxf=uo電壓反響(全反響)(2)是何種反響xi′=xi-xf方法：瞬時(shí)極性法假定某一時(shí)刻xi的極性，找出xf的極性,xi′=xi-xf負(fù)反響

xi′=ubexi=uixf=uRe設(shè)ui上+→ib上+→uRe上+，ube=ui-uRe是負(fù)反響C1RbC2+ECuiuoReRL輸入端:xi、xi′、xf在一個(gè)回路,串聯(lián)反響電壓串聯(lián)負(fù)反響〔4〕穩(wěn)定uo過程設(shè)ui不變uo↑uo↑→uRe↑→ube↓=ui-uRe→ib↓→ic↓〔3〕是串聯(lián)反響還是并聯(lián)反響uo(↓)2.電流串聯(lián)負(fù)反響+UCCRCC2C1RB1RERB2ubeufuiube=ui-uf

＋＋在輸入回路中，Re上的反響電壓與加在三極管基極上的輸入信號(hào)電壓是串聯(lián)關(guān)系，相加的結(jié)果是基極上輸入電壓的變化量相應(yīng)削減，所以是負(fù)反響。+UCCC1RFREC2Rc＋-3.電壓并聯(lián)負(fù)反響uiRsibificAii＝if+ib

if與ii

是并聯(lián)關(guān)系

4.電流并聯(lián)負(fù)反響三、負(fù)反響對(duì)放大器性能的影響基本放大電路A反饋回電路F

+–uoufu’iui——開環(huán)放大倍數(shù)——反響系數(shù)——凈輸入信號(hào)1.降低放大倍數(shù)——閉環(huán)放大倍數(shù)放大倍數(shù)降低了

倍1+AF稱為反響深度2.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性假設(shè)反響深度很深，則有1+AF>>1,所以：所以對(duì)于深度負(fù)反響，放大倍數(shù)的穩(wěn)定性大大提高。3.改善波形失真Auiuo加反饋前加反響后ufuiAF+–

改善uo留意：只對(duì)放大器本身引起的失真有效，對(duì)原本就失真的波形無效。4.展寬通頻帶頻帶的限制是由于放大器在不同頻率上放大倍數(shù)發(fā)生變化而造成的。而在參加負(fù)反響后，排解了放大倍數(shù)與放大器中與頻率有關(guān)因素的影響。這樣可以使負(fù)反響放大器的放大倍數(shù)在很寬的頻率范圍內(nèi)都與頻率無關(guān)。放大倍數(shù)在很寬的頻率范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，所以頻帶就展寬了。5.對(duì)輸入和輸出電阻的影響(1)串聯(lián)負(fù)反響使電路的輸入電阻增加：(2)并聯(lián)負(fù)反響使電路的輸入電阻減?。?3)電壓負(fù)反響使電路的輸出電阻減?。?4)電流負(fù)反響使電路的輸出電阻增加：動(dòng)物血壓調(diào)整系統(tǒng)×xo血壓壓力感受器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)xi

輸入xi′

xf

頸動(dòng)脈竇第三章生物醫(yī)學(xué)常用放大器第三節(jié)直流放大器一、直流放大器需要解決的兩個(gè)問題：⒈各級(jí)間的耦合問題：⒉零點(diǎn)漂移的問題：增加R2、RE2:用于設(shè)置適宜的Q點(diǎn)。問題1:前后級(jí)Q點(diǎn)相互影響。+UCCuoRC2T2uiRC1R1T1R2RE2直接耦合電路的特殊問題問題2:零點(diǎn)漂移。前一級(jí)的零漂將作為后一級(jí)的輸入信號(hào)，使得當(dāng)ui

等于零時(shí)，

uo不等于零。uot0有時(shí)會(huì)將信號(hào)漂浮+UCCuoRC2T2uiRC1R1T1R2RE2二、差分放大器(differentialamplifier)1.預(yù)備學(xué)問ui1ui2放大電路uo差模信號(hào)〔differential-modesignal〕:兩個(gè)信號(hào)的大小相等、極性相反。〔有用信號(hào)〕共模信號(hào)(common-modeinputsignal)：兩個(gè)信號(hào)的大小相等、極性一樣?！苍肼暫透蓴_信號(hào)〕。2.電路構(gòu)造T1和T2參數(shù)一樣，具有一樣的溫度特性和靜態(tài)工作點(diǎn)，電路具有對(duì)稱的構(gòu)造。具有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端。成為雙端輸入—雙端輸出差分放大器。

3.抑制零漂的原理uo=UC1-UC2

=0uo=(UC1+

uC1

)-(UC2+

uC2)=0當(dāng)ui1

=

ui2=0

時(shí)：當(dāng)溫度變化時(shí)：

4.差分放大器對(duì)信號(hào)的放大作用〔1〕共模信號(hào)輸入uo=

uC1-

uC2＝0ui1

=

ui2

在實(shí)際電路中共模信號(hào)就是干擾或者是不需要的信號(hào).抱負(fù)狀況下，兩路的共模信號(hào)電壓一樣，經(jīng)過取差，輸出電壓為零，即沒有輸出。在實(shí)際電路中，兩個(gè)電路很難完全對(duì)稱，兩路集電極輸出電壓不同，故還是有一些輸出uoc，此時(shí)放大倍數(shù)表達(dá)式為：

AC為差分放大器的共模電壓放大倍數(shù)，uC為共模輸入電壓，可見共模放大倍數(shù)愈小愈好?！?〕差模信號(hào)輸入ui1

=-

ui2

uo=

uC1-

uC2不為零當(dāng)輸入端上加一信號(hào)電壓uid時(shí)，T1管和T2管的基極上分別加上ui1=uid/2和ui2=-uid/2，輸入電壓大小相等相位相反，稱差模輸入(differentialinput)。由于兩管參數(shù)完全對(duì)稱，兩管對(duì)輸入信號(hào)具有同樣放大作用，T1、T2管輸出電壓分別為：mn從兩個(gè)集電極間輸出電壓為：由于差動(dòng)放大器的放大倍數(shù)Ad定義為uod／uid，故可得式中RC、rbe、β可為電路任一側(cè)參數(shù)，差模輸入信號(hào)是所要放大的有用信號(hào)，因此差模放大倍數(shù)愈大愈好。mnRE對(duì)差模信號(hào)無電流負(fù)反響作用，只對(duì)共模信號(hào)有電流負(fù)反響作用，如當(dāng)溫度變化引起一系列反響過程如下：三、改進(jìn)型的差分放大器1、具有射極公共電阻的差動(dòng)放大器由于RE在電路中起到了電流負(fù)反響的作用，所以RE的阻值越大越好，但是過大的RE使得放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)降低，所以外接負(fù)電源EE的作用是補(bǔ)償RE兩端的直流壓降，使電路獲得適宜的靜態(tài)工作點(diǎn)?！?〕直流分析〔電路對(duì)稱〕RpRp為調(diào)零電位器，來調(diào)整電路不對(duì)稱帶來的影響。但是Rp的阻值很小，分析靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)可以略去。b.靜態(tài)工作點(diǎn)

UBE1=0.7VI1>>IB1

I1≈I2≈EC/(RB1+RB2)UB=RB1I1=RB1EC/(RB1+RB2)IE1≈(EE+

UB)/2REIB1=IE/(1+β1)IC1=β1IB1UCE1=(EC+EE)-Ic1RC1-2IE1RE1

a.直流通路

ui1=0ui2=0+ECRB2RC1RB1I1I2IB1T1EEREc.溝通分析RB2RCui1uo1RB1ib＝ui1/{RB1+(RB2//rbe)}-ui1(RB2//rbe)/{[RB1+(RB2//rbe)]RB2}Ad1=uo1/ui1=-βib1Rc/{[ib1[RB1+(RB2//rbe)]}

＝-βRc/{[[RB1+(RB2/