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1、第二章生物醫(yī)學(xué)信號(hào)放大第二章生物醫(yī)學(xué)信號(hào)放大 王偉王偉第一節(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
2、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 i
3、d o d RD RD c d CMRRCMRR CMRRCMRR A A CMRR 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
4、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)
5、。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
6、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
7、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
8、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10
9、0kHZ,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-6511心電圖機(jī)前置放大器光電耦合分析 選用國(guó)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 1 432
10、1 0 RRRC f oinGG ISO out RRRRIMRR V VVV 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。 A0緩沖放大 A1第一級(jí)放大 A2第二級(jí)放大 A3
11、濾波放大 SD屏蔽驅(qū)動(dòng) RD右腿驅(qū)動(dòng) CAL校準(zhǔn) INST閉鎖 圖示為臨床心電圖描記的前置放大器框圖。標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)及胸前導(dǎo)聯(lián)共九個(gè)心 電信號(hào),經(jīng)過九個(gè)緩沖放大器變換成穩(wěn)定的低內(nèi)阻心電信號(hào)。通過導(dǎo)聯(lián)選 擇通路,信號(hào)進(jìn)入放大器。電容C的作用是去除電極的極化電壓并與電阻R 構(gòu)成高通濾波器,決定放大器的頻率下限。再經(jīng)光電耦合實(shí)現(xiàn)電氣隔離。 1)輸入電路: 輸入保護(hù)、平衡電阻、緩沖放大、Wilson網(wǎng)絡(luò)、屏蔽驅(qū)動(dòng)、導(dǎo)聯(lián)選擇等。 2)前置放大: 通過導(dǎo)聯(lián)切換選擇一路心電信號(hào)送入放大級(jí)進(jìn)行放大。差動(dòng)放大A1為第一 級(jí),同相放大A2構(gòu)成第二級(jí),差動(dòng)放大去掉了共模電壓,只放大心電信號(hào)。 第一級(jí)電壓增益為20,第二級(jí)
12、電壓增益為3。為了提高信噪比,A1應(yīng)具有足 夠高的增益和CMRR,A1后級(jí)電路應(yīng)不破壞低噪聲性能。 心電放大器必不可少的功能還包括:定標(biāo)(即校準(zhǔn))、電極脫落檢查、脈 沖抑制電路的復(fù)零電路。定標(biāo)控制信號(hào)CAL為低電平時(shí),晶體管T1飽和導(dǎo)通。 設(shè)穩(wěn)壓管Dw穩(wěn)定電壓值為6V,調(diào)整電位器W1使p點(diǎn)電位為1mV,則產(chǎn)生lmV差動(dòng) 電壓送入A1,作為放大器的定標(biāo)信號(hào)。 A1輸出端設(shè)置脈沖抑制電路。干擾脈沖(如心臟起搏器脈沖信號(hào))使二級(jí) 管瞬時(shí)導(dǎo)通,經(jīng)過電容耦合到地端,而心電信號(hào)經(jīng)A1放大后仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于二 極管的導(dǎo)通電壓,所以心電信號(hào)可正常傳遞到后級(jí)電路。 導(dǎo)聯(lián)切換控制電路 二、腦電放大器 腦電放大器的基本要求是: (1)具有較高的低噪聲性能 直接拾取EEG信號(hào)時(shí)放大器輸入端短路噪聲應(yīng)低于10uF(均方根值) 誘發(fā)電位放大器的輸入端短路噪聲應(yīng)低于0.7uF(均方根值), (2)具有較高的共模抑制能力。 用頭皮電極拾取EEG信號(hào)時(shí)CMRR
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