第三章信號(hào)放大與處理-4

1、生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)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(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) 3.1.5 微電極放大器微電極放大器 微電極是用來微電極是用來拾取細(xì)胞膜內(nèi)外電位信號(hào)拾取細(xì)胞膜內(nèi)外電位信號(hào)，包括靜息電位，包括靜息電位與動(dòng)作電位，簡化等效電路如圖。與動(dòng)作電位，簡化等效電路如圖。其中其中Rs對(duì)于金屬微電極，是電化學(xué)極化電阻對(duì)于金屬微電極，是電化學(xué)極化電阻 對(duì)于玻璃微電極，是玻璃管內(nèi)電解液電阻對(duì)于玻璃微電極，是玻璃管內(nèi)電解液電阻 Cs是

2、微電極與細(xì)胞液、屏蔽線的分布電容之和是微電極與細(xì)胞液、屏蔽線的分布電容之和 E為電極平衡電位為電極平衡電位由于微電極面積極小，所以由于微電極面積極小，所以Rs很大，很大，通常在幾十通常在幾十M以上。以上。若放大器輸出為若放大器輸出為vo=Avi ，則，則vo與膜電位與膜電位vs的傳輸函數(shù)為的傳輸函數(shù)為生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)轉(zhuǎn)折頻率轉(zhuǎn)折頻率fo為為l(2RsCs），由于細(xì)胞膜動(dòng)作電位高頻成分可達(dá)，由于細(xì)胞膜動(dòng)作電位高頻成分可達(dá)10kHz，而，而fo因因RsCs較大而遠(yuǎn)小于較大而遠(yuǎn)小于10kHz，所以放大器輸出，所以放大器輸出vo將將產(chǎn)生高頻失真。由于放大器輸入端與產(chǎn)生高頻失真。由于放大器輸入端與Cs并聯(lián)

3、，若放大器等效輸并聯(lián)，若放大器等效輸入電容入電容Ci為負(fù)值，則總電容變小，轉(zhuǎn)折頻率為負(fù)值，則總電容變小，轉(zhuǎn)折頻率fo升高，可改善高升高，可改善高頻響應(yīng)，避免高頻失真。這種放大器稱作頻響應(yīng)，避免高頻失真。這種放大器稱作負(fù)輸入電容放大器負(fù)輸入電容放大器，方法是采用方法是采用電容正反饋技術(shù)電容正反饋技術(shù)，原理如圖，下圖是等效的。，原理如圖，下圖是等效的。 呈一階低通特性呈一階低通特性生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)其中其中Ci= (1-Af)Cf，只要，只要Af 1，則，則Ci為負(fù)值，即放大器為負(fù)值，即放大器等等效輸入電容為負(fù)值效輸入電容為負(fù)值。等效電路如圖。等效電路如圖生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)因?yàn)橐驗(yàn)镃i為負(fù)

4、值，所以為負(fù)值，所以C=Cs+CiCs，即轉(zhuǎn)折頻率，即轉(zhuǎn)折頻率fo = l2RsC增增加，理想情況加，理想情況C=0，H為常數(shù)，實(shí)際使用時(shí)使為常數(shù)，實(shí)際使用時(shí)使fo大于大于10kHz。若反饋電容若反饋電容Cf不直接與放大器輸出端相聯(lián)，而是通過一電位器，不直接與放大器輸出端相聯(lián)，而是通過一電位器，如圖，如圖，則則Ci=(1-kAf)Cf，通過調(diào)節(jié)電位器的分壓比，通過調(diào)節(jié)電位器的分壓比k，可調(diào)整中和量，可調(diào)整中和量，使使 Ci 略小于略小于Cs，避免過調(diào)引起振蕩。，避免過調(diào)引起振蕩。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)微電極放大器的三個(gè)要求：微電極放大器的三個(gè)要求：1、展寬頻帶，改善放大器的高頻響應(yīng)。放大器采用正反饋、

5、展寬頻帶，改善放大器的高頻響應(yīng)。放大器采用正反饋展寬了頻帶，但也增加了不穩(wěn)定性，易產(chǎn)生自激，以及噪聲展寬了頻帶，但也增加了不穩(wěn)定性，易產(chǎn)生自激，以及噪聲增加。由于信號(hào)幅度較大增加。由于信號(hào)幅度較大(幾十幾十mV)信噪比可以接受。信噪比可以接受。2、滿足、滿足1000M以上的輸入阻抗，以保證以上的輸入阻抗，以保證1%的精度。的精度。3、很小的漏電流，以保證流過微電極的漏電流最大值不致、很小的漏電流，以保證流過微電極的漏電流最大值不致嚴(yán)重地影響細(xì)胞的性質(zhì)嚴(yán)重地影響細(xì)胞的性質(zhì)(如引起細(xì)胞興奮）。如引起細(xì)胞興奮）。微電極放大器采用精心設(shè)計(jì)的微電極放大器采用精心設(shè)計(jì)的結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管作為輸入級(jí)。

6、作為輸入級(jí)。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)3.1.6 調(diào)制調(diào)制(斬波穩(wěn)零斬波穩(wěn)零)型放大器型放大器 對(duì)于直流或緩慢變化的信號(hào)，由于信號(hào)頻率與放大器漂移對(duì)于直流或緩慢變化的信號(hào)，由于信號(hào)頻率與放大器漂移的頻率在同一范圍內(nèi)，因此不能用濾波的辦法加以消除，在的頻率在同一范圍內(nèi)，因此不能用濾波的辦法加以消除，在放大器輸出端，信號(hào)與漂移疊加在一起造成測量誤差。放大器輸出端，信號(hào)與漂移疊加在一起造成測量誤差。為了保證測量精度，要求放大器漂移比信號(hào)幅度小得多。例為了保證測量精度，要求放大器漂移比信號(hào)幅度小得多。例如信號(hào)為幾十微伏，則放大器漂移就應(yīng)小于零點(diǎn)幾微伏。如信號(hào)為幾十微伏，則放大器漂移就應(yīng)小于零點(diǎn)幾微伏。其中其中An

7、為第為第n級(jí)放大器增益，級(jí)放大器增益，A為總增益，為總增益，f (t)為輸入信號(hào)，為輸入信號(hào)，fn(t)為放為放大器第大器第n級(jí)輸出的漂移級(jí)輸出的漂移總的輸出總的輸出生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)一、調(diào)制型放大器一、調(diào)制型放大器 制作這么低漂移的放大器是相當(dāng)困難的，解決這個(gè)問題制作這么低漂移的放大器是相當(dāng)困難的，解決這個(gè)問題的方法之一是采用的方法之一是采用調(diào)制型放大器調(diào)制型放大器。1、調(diào)制、調(diào)制 將低頻信號(hào)將低頻信號(hào)f (t)搬移到搬移到f (t) coswt的高頻信號(hào)，稱作的高頻信號(hào)，稱作調(diào)制調(diào)制。將。將f (t)與一高頻正弦波相乘，輸出信號(hào)頻率范圍為與一高頻正弦波相乘，輸出信號(hào)頻率范圍為-F到到+F ，其

8、中，其中F為為f (t)的最高頻率。的最高頻率。 然后將高頻信號(hào)進(jìn)行放大，這時(shí)由于放大器的漂移然后將高頻信號(hào)進(jìn)行放大，這時(shí)由于放大器的漂移fn(t) 與高與高頻信號(hào)不在同一頻率范圍，因此可用濾波方法消除。頻信號(hào)不在同一頻率范圍，因此可用濾波方法消除。2、解調(diào)、解調(diào) 利用乘法器將高頻信號(hào)移到低頻信號(hào)，稱作利用乘法器將高頻信號(hào)移到低頻信號(hào)，稱作解調(diào)解調(diào)。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)再用低通濾波器恢復(fù)放大了的信號(hào)再用低通濾波器恢復(fù)放大了的信號(hào)A/2 f (t) ，可有效克服放，可有效克服放大器漂移的干擾。大器漂移的干擾。 通常調(diào)制型放大器的調(diào)制器用通常調(diào)制型放大器的調(diào)制器用斬波器斬波器來實(shí)現(xiàn)，即用角頻來實(shí)現(xiàn)，即用

9、角頻率為率為的方波信號(hào)代替的方波信號(hào)代替coswt，用開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)，并可將其集，用開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)，并可將其集成，稱作成，稱作斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器。具有性能穩(wěn)定、增益高、失。具有性能穩(wěn)定、增益高、失調(diào)小，溫漂低、體積小、使用方便等特點(diǎn)。調(diào)小，溫漂低、體積小、使用方便等特點(diǎn)。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)圖中的圖中的 為為f (t) 的帶限信號(hào)（指信號(hào)的雙邊頻譜在的帶限信號(hào)（指信號(hào)的雙邊頻譜在|f|W范范圍內(nèi)不全為圍內(nèi)不全為0，而在其它區(qū)間為，而在其它區(qū)間為0，其中，其中f為頻率，為頻率，W為一常為一常數(shù)）數(shù)） ， f a(t)為為 與方波信號(hào)的乘積，方波信號(hào)與方波信號(hào)的乘積，方波信號(hào)H（t）)(t

10、f)(tf用用C1濾掉濾掉fa(t)中的低頻分量中的低頻分量 ，放大器放大高頻分量，放大器放大高頻分量，用用C2濾掉放大器漂移濾掉放大器漂移,使使fb(t)中僅含高頻分量，再解調(diào)中僅含高頻分量，再解調(diào) ，輸出已不包含放大器漂移，因而實(shí)現(xiàn)了高增益、低漂移。輸出已不包含放大器漂移，因而實(shí)現(xiàn)了高增益、低漂移。 )(21tf)(tfA生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)二、動(dòng)態(tài)校零技術(shù)二、動(dòng)態(tài)校零技術(shù) 解決放大器漂移的另一種方法是采用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)。解決放大器漂移的另一種方法是采用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)。 基本思想基本思想：假定放大器輸入端短路時(shí)的輸出：假定放大器輸入端短路時(shí)的輸出(失調(diào)電壓失調(diào)電壓)是一個(gè)緩慢變化的連續(xù)變量。因此對(duì)同

11、一個(gè)放大器，只要是一個(gè)緩慢變化的連續(xù)變量。因此對(duì)同一個(gè)放大器，只要 t 足夠小，它在足夠小，它在 t 時(shí)刻和時(shí)刻和 t+t 時(shí)刻的零偏壓是相等的。時(shí)刻的零偏壓是相等的。 在在 t 時(shí)刻將放大器輸入端短路，測出零偏壓時(shí)刻將放大器輸入端短路，測出零偏壓vo(t)，再在，再在t+t 時(shí)刻測量含有零偏壓的輸出時(shí)刻測量含有零偏壓的輸出 v(t+t)，讓，讓 即用即用 t 時(shí)刻的零偏壓抵消下一個(gè)時(shí)刻的零偏壓，保證放大器時(shí)刻的零偏壓抵消下一個(gè)時(shí)刻的零偏壓，保證放大器輸出無零偏壓，這就是輸出無零偏壓，這就是動(dòng)態(tài)校零放大器的原理動(dòng)態(tài)校零放大器的原理。具體設(shè)計(jì)具體設(shè)計(jì)：利用時(shí)鐘脈沖控制整個(gè)電路，將放大器的工作過：

12、利用時(shí)鐘脈沖控制整個(gè)電路，將放大器的工作過程分割成兩個(gè)節(jié)拍，第一節(jié)拍放大器誤差檢測與寄存，第二程分割成兩個(gè)節(jié)拍，第一節(jié)拍放大器誤差檢測與寄存，第二節(jié)拍校零與放大。節(jié)拍校零與放大。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)動(dòng)態(tài)校零技術(shù)使集成運(yùn)動(dòng)態(tài)校零技術(shù)使集成運(yùn)放進(jìn)入了第四代，右圖放進(jìn)入了第四代，右圖為動(dòng)態(tài)校零為動(dòng)態(tài)校零CMOS運(yùn)放運(yùn)放ICL7650原理圖。原理圖。A1為主放大器，放大輸入信號(hào)并輸出，這個(gè)放大器具有較寬的為主放大器，放大輸入信號(hào)并輸出，這個(gè)放大器具有較寬的頻帶和較強(qiáng)的負(fù)載能力。它除了同相與反相兩個(gè)輸入端，同時(shí)頻帶和較強(qiáng)的負(fù)載能力。它除了同相與反相兩個(gè)輸入端，同時(shí)還設(shè)置了還設(shè)置了第三輸入端第三輸入端N1，其作

13、用與同相輸入端相同，若從，其作用與同相輸入端相同，若從N1加加入信號(hào)，將會(huì)在輸出端得到放大的同相信號(hào)。入信號(hào)，將會(huì)在輸出端得到放大的同相信號(hào)。 A2為調(diào)零放大器，用來降低主放大器的失調(diào)電壓，不對(duì)外輸出為調(diào)零放大器，用來降低主放大器的失調(diào)電壓，不對(duì)外輸出信號(hào)，作為輔助放大器。它除了普通運(yùn)放的兩個(gè)輸入端外也有信號(hào)，作為輔助放大器。它除了普通運(yùn)放的兩個(gè)輸入端外也有第三輸入端第三輸入端N2，N2是反相輸入端，是反相輸入端，Cl、C2為外接電容，起寄存為外接電容，起寄存失調(diào)電壓的作用。失調(diào)電壓的作用。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)假設(shè)：假設(shè)： A01、A02分別為分別為A1、A2的差動(dòng)放大倍數(shù)的差動(dòng)放大倍數(shù) A01、A

14、02分別為分別為N1、N2 輸入時(shí)輸入時(shí)A1、A2的放大倍數(shù)的放大倍數(shù) vI01、vI02分別為分別為A1、A2等效輸入失調(diào)電壓等效輸入失調(diào)電壓1、在時(shí)鐘第一節(jié)拍，、在時(shí)鐘第一節(jié)拍，SA1、SA2閉合，閉合，SB1、SB2斷開。斷開。 A2輸入端閉合，輸入端閉合，vi 0，A2的輸出電壓的輸出電壓 只與只與A2失調(diào)電壓有關(guān)，寄存失調(diào)電壓有關(guān)，寄存在電容在電容C2中中生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)2、在時(shí)鐘第二階段，開關(guān)、在時(shí)鐘第二階段，開關(guān)SB閉合，閉合，SA斷開，如圖。輸入信斷開，如圖。輸入信號(hào)分兩個(gè)通路進(jìn)行放大：一部分從號(hào)分兩個(gè)通路進(jìn)行放大：一部分從A1輸入端輸入進(jìn)行連續(xù)放輸入端輸入進(jìn)行連續(xù)放大；另一部分

15、加到大；另一部分加到A2進(jìn)行放大，此時(shí)進(jìn)行放大，此時(shí)A2的輸出電壓為的輸出電壓為端端N2進(jìn)入放大，引起的輸進(jìn)入放大，引起的輸出電壓為出電壓為 由于由于SA2的斷開，上半周期充入電容的斷開，上半周期充入電容C2中的電壓中的電壓vc2從調(diào)零輸入從調(diào)零輸入A2輸出端的總電壓應(yīng)為輸出端的總電壓應(yīng)為兩者之和兩者之和生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)A2輸出端的總電壓輸出端的總電壓 因此，在時(shí)鐘的后半周期，調(diào)零放大器因此，在時(shí)鐘的后半周期，調(diào)零放大器A2的失調(diào)電壓已被的失調(diào)電壓已被全部消除。全部消除。 這個(gè)沒有失調(diào)電壓的這個(gè)沒有失調(diào)電壓的v02通過開關(guān)通過開關(guān)SB送入寄存電容送入寄存電容C1，同時(shí)，同時(shí)加到加到A1的同相調(diào)零

16、輸入端的同相調(diào)零輸入端N1進(jìn)行放大。進(jìn)行放大。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)主放大器主放大器A1的輸出電壓的輸出電壓v01式中式中(A01+ A01A02)為整個(gè)放大器的增益，而且為整個(gè)放大器的增益，而且A01vI01為失調(diào)為失調(diào)電壓引起的誤差，折算到放大器輸入端，便是等效的系統(tǒng)輸電壓引起的誤差，折算到放大器輸入端，便是等效的系統(tǒng)輸入失調(diào)電壓入失調(diào)電壓vI0。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)通常通常A01= A01，則，則因此，整個(gè)系統(tǒng)的失調(diào)電壓因此，整個(gè)系統(tǒng)的失調(diào)電壓vI0是放大器是放大器A1的失調(diào)電壓的失調(diào)電壓vI01的的1/A02(將將A1放大器的失調(diào)電壓縮小了放大器的失調(diào)電壓縮小了A02倍倍)。只要使調(diào)零放。只要使調(diào)零放大器大器A2有足夠大的增益有足夠大的增益A02，那么，那么vI0就非常小。就非常小。因此，動(dòng)態(tài)校零放大器的特點(diǎn)是，即使電路內(nèi)部各個(gè)放大環(huán)因此，動(dòng)態(tài)校零放大器的特點(diǎn)是，即使電路內(nèi)部各個(gè)放大