第三章信號放大與處理-1

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 生物電是反映人體各種生理狀態(tài)的一種重要信息，生物電是反映人體各種生理狀態(tài)的一種重要信息，是人體電子測量中的主要信息源。生物信號都屬于是人體電子測量中的主要信息源。生物信號都屬于低頻的微弱自然信號低頻的微弱自然信號, ,為了對生物信號進行各種處理、為了對生物信號進行各種處理、記錄、顯示，必須首先把信號放大到所要求的強度。記錄、顯示，必須首先把信號放大到

2、所要求的強度。信號放大技術(shù)是人體電子測量系統(tǒng)中最基本的重要信號放大技術(shù)是人體電子測量系統(tǒng)中最基本的重要環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)。 各種生物電放大器的結(jié)構(gòu)、性能都是生物醫(yī)學電各種生物電放大器的結(jié)構(gòu)、性能都是生物醫(yī)學電子學的主要研究內(nèi)容。各種生理參數(shù)，如血壓、心子學的主要研究內(nèi)容。各種生理參數(shù)，如血壓、心音、呼吸的測量放大器也都具有各自獨特的設計方音、呼吸的測量放大器也都具有各自獨特的設計方法。放大器的核心是前置放大，所以前置級的設計法。放大器的核心是前置放大，所以前置級的設計是本章的重點。是本章的重點。 第三章第三章 信號放大與處理信號放大與處理生物醫(yī)學電子學第一節(jié)第一節(jié) 生生理理參數(shù)測量放大器參數(shù)測量放大器

3、 3.1.1 基本要求基本要求 生理信號信號頻率低、幅值小、信號源阻抗高，生理信號信號頻率低、幅值小、信號源阻抗高，并存在較強的背景噪聲和干擾。并存在較強的背景噪聲和干擾。 1、高增益、高增益 增益可衡量放大器放大信號的能力，生理信號增益可衡量放大器放大信號的能力，生理信號信號的幅值通常為毫伏級、微伏級，信號的幅值通常為毫伏級、微伏級，為了進行各種為了進行各種處理、記錄、顯示，必須把信號放大到記錄、顯示處理、記錄、顯示，必須把信號放大到記錄、顯示所要求的電壓幅度（約幾伏）。所以各種生物電放所要求的電壓幅度（約幾伏）。所以各種生物電放大器必須具有很高的增益，通常在大器必須具有很高的增益，通常在6

4、0dB60dB（10001000倍）倍）到到120dB120dB（100100萬倍）之間萬倍）之間。生物醫(yī)學電子學2. 高輸入阻抗高輸入阻抗（1 1）生物電信號源是高內(nèi)阻的微弱信號源，信號）生物電信號源是高內(nèi)阻的微弱信號源，信號源阻抗不僅因人而異、因生理狀態(tài)而異，而且與電源阻抗不僅因人而異、因生理狀態(tài)而異，而且與電極的安放位置、電極本身的物理狀態(tài)都有關(guān)系。源極的安放位置、電極本身的物理狀態(tài)都有關(guān)系。源阻抗的不穩(wěn)定性，使放大器電壓增益不穩(wěn)定，從而阻抗的不穩(wěn)定性，使放大器電壓增益不穩(wěn)定，從而造成難以修正的測量誤差。造成難以修正的測量誤差。（2 2）放大器對被測信號源應呈現(xiàn)最輕負載，輸入）放大器對被

5、測信號源應呈現(xiàn)最輕負載，輸入阻抗不夠高，負載過重就產(chǎn)生信號失真。所以通常阻抗不夠高，負載過重就產(chǎn)生信號失真。所以通常要求生理參數(shù)測量放大器的輸入阻抗比信號源內(nèi)阻要求生理參數(shù)測量放大器的輸入阻抗比信號源內(nèi)阻大大10 -10010 -100倍。輸入阻抗應不小于倍。輸入阻抗應不小于1M1M，最好大于，最好大于或等于或等于10M10M。生物醫(yī)學電子學 心電、腦電、肌電等體表電位測量的放大器輸入心電、腦電、肌電等體表電位測量的放大器輸入阻抗指標可參考下表。阻抗指標可參考下表。 用于細胞電位測量的微電極放大器的輸入阻抗應大于用于細胞電位測量的微電極放大器的輸入阻抗應大于1000M1000M，這在設計上是很

6、困難的，應設法降低信號源阻抗。，這在設計上是很困難的，應設法降低信號源阻抗。高輸入阻抗同時也是放大器高共模抑制比的必要條件。高輸入阻抗同時也是放大器高共模抑制比的必要條件。生物醫(yī)學電子學 人體攜帶的工頻干擾對測量電極是共模干擾，生人體攜帶的工頻干擾對測量電極是共模干擾，生物電信號為差模干擾。為了放大生物電信號，抑制物電信號為差模干擾。為了放大生物電信號，抑制干擾，生物電放大器通常選用差動放大形式，產(chǎn)生干擾，生物電放大器通常選用差動放大形式，產(chǎn)生較大的差模增益較大的差模增益A Ad d、較小的共模增益、較小的共模增益A Ac c，共模抑制，共模抑制比高。比高。 共模抑制比是放大器的主要指標，值越

7、大抗干擾能共模抑制比是放大器的主要指標，值越大抗干擾能力越強。生物電放大器的力越強。生物電放大器的CMRRCMRR一般要求一般要求60dB60dB以以上，高性能放大器可達上，高性能放大器可達100dB100dB，這說明對于，這說明對于10mV10mV的共模干擾和的共模干擾和0.1V0.1V的差模信號具有相同的輸出。的差模信號具有相同的輸出。3.3.高共模抑制比高共模抑制比)(lg20 dBAACMRRAACMRRcdcd或生物醫(yī)學電子學 放大器的實際共模抑制能力受到放大器前邊電放大器的實際共模抑制能力受到放大器前邊電極系統(tǒng)的影響。極系統(tǒng)的影響。 通過兩個電極提取生物電位時，等效源阻通過兩個電極

8、提取生物電位時，等效源阻Z Zs1s1和和Z Zs2s2一般不完全相等，其數(shù)值大小與人體汗腺一般不完全相等，其數(shù)值大小與人體汗腺 分泌情況、分泌情況、皮膚清潔程度有關(guān)。各個電極處的皮膚接觸電阻是不皮膚清潔程度有關(guān)。各個電極處的皮膚接觸電阻是不平衡的，而且因人而異，加之兩個電極本身的物理狀平衡的，而且因人而異，加之兩個電極本身的物理狀態(tài)不可能完全對稱，這樣使得與差動放大器兩個輸入態(tài)不可能完全對稱，這樣使得與差動放大器兩個輸入相連的源阻抗相連的源阻抗Z Zs1s1和和Z Zs2s2不平衡。不平衡。 這種不乎衡造成的危害，是共模干擾向差模干擾的這種不乎衡造成的危害，是共模干擾向差模干擾的轉(zhuǎn)化，從而造

9、成共模干擾輸出。對于這種轉(zhuǎn)化，放大轉(zhuǎn)化，從而造成共模干擾輸出。對于這種轉(zhuǎn)化，放大器本身的共模抑制能力再高也將無濟于事。但是提高器本身的共模抑制能力再高也將無濟于事。但是提高放大器的輸入阻抗，則會減小這一轉(zhuǎn)化。放大器的輸入阻抗，則會減小這一轉(zhuǎn)化。注注意意生物醫(yī)學電子學 相對于幅度僅在微伏、毫伏級的低頻生物電信相對于幅度僅在微伏、毫伏級的低頻生物電信號，放大器的這一要求是重要的。號，放大器的這一要求是重要的。 高阻抗源本身就帶來相當可觀的熱噪聲，使輸高阻抗源本身就帶來相當可觀的熱噪聲，使輸入信號的質(zhì)量很差，所以為了獲得一定信噪比的輸入信號的質(zhì)量很差，所以為了獲得一定信噪比的輸出信號，對放大器的低噪

10、聲性能有嚴格要求。出信號，對放大器的低噪聲性能有嚴格要求。 理想的生物電放大器，能夠抑制外界干擾使其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。放大器減弱到和放大器的固有噪聲為同一數(shù)量級。放大器內(nèi)部噪聲實際上使放大器能夠放大的信號具有一個內(nèi)部噪聲實際上使放大器能夠放大的信號具有一個下限，也就是說下限，也就是說放大器的噪聲電平成為放大器設計放大器的噪聲電平成為放大器設計的限制性條件。的限制性條件。4.4.低噪聲低噪聲生物醫(yī)學電子學 放大器的低噪聲性能主要取決于前置級，正放大器的低噪聲性能主要取決于前置級，正確設計放大器的增益分配，在前置級的噪聲系確設計放大器的增

11、益分配，在前置級的噪聲系數(shù)較小時，可以獲得良好的低噪聲性能。數(shù)較小時，可以獲得良好的低噪聲性能。 前置級的低噪聲設計，是整個放大器設計的前置級的低噪聲設計，是整個放大器設計的主要任務。主要任務。 除了按照低噪聲設計的原則正確進行設計外，除了按照低噪聲設計的原則正確進行設計外，常選用低噪聲元器件降低放大器本身的內(nèi)部噪常選用低噪聲元器件降低放大器本身的內(nèi)部噪聲；采用嚴格的裝配工藝，減小誤差；限制放聲；采用嚴格的裝配工藝，減小誤差；限制放大器的頻帶寬度，降低輸出噪聲。大器的頻帶寬度，降低輸出噪聲。生物醫(yī)學電子學 除了肌電和神經(jīng)動作電位外，絕大多數(shù)的生物電除了肌電和神經(jīng)動作電位外，絕大多數(shù)的生物電信號

12、都具有十分低的頻率成分。信號都具有十分低的頻率成分。 由于電子元器件的溫度漂移與老化引起放大器的由于電子元器件的溫度漂移與老化引起放大器的零點漂移。直流放大器的零點漂移限制了直流放大零點漂移。直流放大器的零點漂移限制了直流放大器的輸入范圍，可導致末級放大器飽和，被測信號器的輸入范圍，可導致末級放大器飽和，被測信號失真；使微弱緩變信號無法被放大，尤其在進行較失真；使微弱緩變信號無法被放大，尤其在進行較長時間的記錄、觀察、監(jiān)護時，基線漂移對測量帶長時間的記錄、觀察、監(jiān)護時，基線漂移對測量帶來嚴重的影響，使測量不能正常進行。來嚴重的影響，使測量不能正常進行。 所以零點漂移是放大緩慢信號的限制因素，對

13、放所以零點漂移是放大緩慢信號的限制因素，對放大器的零點漂移應認真加以研究，使放大器具有低大器的零點漂移應認真加以研究，使放大器具有低漂移特性。漂移特性。5 5、低漂移、低漂移生物醫(yī)學電子學 采用完全對稱的差動放大電路，利用電路的對稱采用完全對稱的差動放大電路，利用電路的對稱結(jié)構(gòu)并對元器件參數(shù)進行嚴格挑選，可以有效地抑結(jié)構(gòu)并對元器件參數(shù)進行嚴格挑選，可以有效地抑制放大器的溫度變化造成的零點漂移。制放大器的溫度變化造成的零點漂移。 為了放大微伏量級的直流信號，可采用溫度補償為了放大微伏量級的直流信號，可采用溫度補償以及調(diào)制式直流放大器，把直流信號轉(zhuǎn)換成交流信以及調(diào)制式直流放大器，把直流信號轉(zhuǎn)換成交

14、流信號，利用交流放大電路各級零點漂移不會逐級放大號，利用交流放大電路各級零點漂移不會逐級放大的基本思路進行設計，能夠有效地改善直流放大器的基本思路進行設計，能夠有效地改善直流放大器的低漂移性能。的低漂移性能。 在實際測量中，為了能夠在一接通電源就進入正在實際測量中，為了能夠在一接通電源就進入正常的工作狀態(tài)，或者轉(zhuǎn)換導聯(lián)時，發(fā)生瞬時過載的常的工作狀態(tài)，或者轉(zhuǎn)換導聯(lián)時，發(fā)生瞬時過載的情況下，能夠把基線迅速復零，還須在前置級設置情況下，能夠把基線迅速復零，還須在前置級設置復零電路復零電路，以保持測量連續(xù)進行。，以保持測量連續(xù)進行。生物醫(yī)學電子學 生物醫(yī)學測量的生物電放大器通過電極與患者相生物醫(yī)學測量

15、的生物電放大器通過電極與患者相連，放大器輸入端的漏電流可能使人體遭受電擊的連，放大器輸入端的漏電流可能使人體遭受電擊的危險。危險。 為了安全，必須盡可能的減小漏電流，應在前置為了安全，必須盡可能的減小漏電流，應在前置級加強絕緣，設置人體安全保護電路和放大器輸入級加強絕緣，設置人體安全保護電路和放大器輸入保護電路。使通過電極的電流保持在安全水平。保護電路。使通過電極的電流保持在安全水平。 在進行人體生物電測量時，應考慮到同時作用于在進行人體生物電測量時，應考慮到同時作用于人體的其他醫(yī)學測量設備或可能存在的干擾對放大人體的其他醫(yī)學測量設備或可能存在的干擾對放大器的破壞作用。器的破壞作用。6 6、高

16、安全性、高安全性生物醫(yī)學電子學 生物電放大器通頻帶要略大于處理信號的頻譜范生物電放大器通頻帶要略大于處理信號的頻譜范圍，以保證高保真和最佳信噪比，以及一定的抗干圍，以保證高保真和最佳信噪比，以及一定的抗干擾能力，進行放大器設計時，首先要知道生物電信擾能力，進行放大器設計時，首先要知道生物電信號頻率范圍。動態(tài)范圍由有輸入信號的變化范圍確號頻率范圍。動態(tài)范圍由有輸入信號的變化范圍確定，最小值受噪聲和漂移限制，最大值受放大器飽定，最小值受噪聲和漂移限制，最大值受放大器飽和區(qū)限制。采用增益控制和對數(shù)放大可有效提高放和區(qū)限制。采用增益控制和對數(shù)放大可有效提高放大器動態(tài)范圍。大器動態(tài)范圍。 8 8、可快速

17、校準、可快速校準 設有快速校準電路，以便通過標準信號源及時校設有快速校準電路，以便通過標準信號源及時校準定標，顯示被測信號波形，并指示其幅值。準定標，顯示被測信號波形，并指示其幅值。7 7、合適的通頻帶寬度和動態(tài)范圍、合適的通頻帶寬度和動態(tài)范圍生物醫(yī)學電子學 生物電放大器的前置級，都采用差動放大電路結(jié)構(gòu)。能否生物電放大器的前置級，都采用差動放大電路結(jié)構(gòu)。能否用現(xiàn)成的集成運算放大器？即一個基本的差動放大器構(gòu)成生用現(xiàn)成的集成運算放大器？即一個基本的差動放大器構(gòu)成生物電放大器的前置級，能否達到生物電放大器所要求的指標物電放大器的前置級，能否達到生物電放大器所要求的指標? ?從簡單的基本差動放大電路的

18、共模抑制能力、輸入阻抗分析，從簡單的基本差動放大電路的共模抑制能力、輸入阻抗分析，研究差動放大電路共模抑制比的影響因素，以研究差動放大電路共模抑制比的影響因素，以及如何及如何3.1.2 3.1.2 差動放大電路差動放大電路1. 1. 基本差動放大電路基本差動放大電路提高放大電路的輸入阻抗。提高放大電路的輸入阻抗。下圖為線性集成器件構(gòu)成的差下圖為線性集成器件構(gòu)成的差動放大電路。兩輸入端信號由動放大電路。兩輸入端信號由共模電壓和差模信號組成。共模電壓和差模信號組成。生物醫(yī)學電子學（1）理想情況）理想情況+-1R2RFR0u3Ridu21idu21icu1 iu2iu1123231002323123

19、2311212121)1 (0,21,21),(21iFiFFiiiFidiciidiciiiidiiicuRRuRRRRRuRuuRRRRuRRRuRRIIuuuuuuuuuuuuuu的電流相等和有理想運放，其中生物醫(yī)學電子學dcidFFicFFiFiFuuuRRRRRRRuRRRRRRRuRRuRRRRRu00132311323111232310 2)1()1()1 (其中其中u uococ是共模輸出、是共模輸出、u uodod是差模輸出。它們的數(shù)值均由外回是差模輸出。它們的數(shù)值均由外回路電阻決定，如果選擇回路的電阻參數(shù)，使得路電阻決定，如果選擇回路的電阻參數(shù)，使得 0)1 (13231R

20、RRRRRRFF則無共模輸出，即共模輸入完全被抑制，不產(chǎn)生共模誤差。則無共模輸出，即共模輸入完全被抑制，不產(chǎn)生共模誤差。生物醫(yī)學電子學 為了補償放大器輸入平均偏置為了補償放大器輸入平均偏置電流及其漂移的影響，外部回路電流及其漂移的影響，外部回路電阻還應滿足平衡對稱電阻還應滿足平衡對稱321/RRRRF由上面兩項要求，得到外回路電阻的匹配條件由上面兩項要求，得到外回路電阻的匹配條件 FRRRR321這時，無共模輸出。理想閉環(huán)差模增益這時，無共模輸出。理想閉環(huán)差模增益由于共模增益為零，所以放大器的由于共模增益為零，所以放大器的 CMRR = CMRR = 12100RRUUUUUAFiiidd生物

21、醫(yī)學電子學（2）實際情況）實際情況w 外回路電阻存在誤差，外回路不可能達到完全的對稱外回路電阻存在誤差，外回路不可能達到完全的對稱平衡平衡w 在精確匹配電阻之后，可以使在精確匹配電阻之后，可以使U Uococ很小，很小，但不為但不為0 CMRR實際上實際上也不為無窮大也不為無窮大w 放大器所用的集成器件本身的共模抑制比是有限的，放大器所用的集成器件本身的共模抑制比是有限的，也影響整個放大器的共模抑制能力。也影響整個放大器的共模抑制能力。定義定義 CMRRR：外電路電阻匹配精度所限定的放大器共模抑制比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集成器件本身的

22、共模抑制比整個放大器的共模抑制比整個放大器的共模抑制比CMRRCMRR取決于取決于CMRRR和和CMRRD生物醫(yī)學電子學1323101)1(RRRRRRRUUAFFiccc放大器的共模增益為放大器的共模增益為 先分析外回路電阻匹配精度形成的共模輸出先分析外回路電阻匹配精度形成的共模輸出U Uoc。)1 (),1 ( ),1 (),1 (:333222111FFFRRRRRRRRI設考慮電阻的匹配誤差)1)(1 ()1)(1 (,2112122132111FFFccRRAA有上面各式代入生物醫(yī)學電子學FFcFRRA132113211, 1,則)1)(1()1)(1(211212213211FFF

23、cRRA由外電路電阻失配造成的放大器的共模抑制比為由外電路電阻失配造成的放大器的共模抑制比為 411dcdRAAACMRRCMRRCMRRR R與電阻匹配誤差、放大器的閉環(huán)差模增益有關(guān)。電阻匹配與電阻匹配誤差、放大器的閉環(huán)差模增益有關(guān)。電阻匹配誤差越小，閉環(huán)差模增益越大，放大器的共模抑制能力越大。誤差越小，閉環(huán)差模增益越大，放大器的共模抑制能力越大。 dcFAA/1141321則設生物醫(yī)學電子學器件本身的共模抑制比器件本身的共模抑制比CMRRD對整個放大器的對整個放大器的CMRRCMRR的影的影響響 II 考慮器件考慮器件CMRRDDCRMM:原因成共模干擾電壓為轉(zhuǎn)化成差模電壓而形這說明共模輸

24、入電壓因iccccocoDUUAAAAACMRR0,放大器的開環(huán)共模增益放大器的開環(huán)差動增益DicicciciccCMRRUUAUUUU000差電壓折合到輸入端的共模誤共模輸出電壓生物醫(yī)學電子學RDRDcddDcicccdDicicccCMRRCMRRCMRRCMRRAACMRRACMRRAUUAACMRRUUAU:1:1010總的共模抑制比總的共模增益共模輸出共模輸出U Uococ實際是由于實際是由于CMRRCMRRD D有限而產(chǎn)生的共模誤差電壓，有限而產(chǎn)生的共模誤差電壓，折合到輸入端，相當于一差模電壓，它與差動信號一起被放折合到輸入端，相當于一差模電壓，它與差動信號一起被放大。大。 由外回

25、路電阻失配和器件本身的由外回路電阻失配和器件本身的CMRRCMRRD D有限，在放大電有限，在放大電路輸出端產(chǎn)生的共模誤差電壓路輸出端產(chǎn)生的共模誤差電壓 .,進一步下降放大器的時在考慮失配和器件本身上式表明CMRR生物醫(yī)學電子學實例實例dBCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRdBACMRRAdBCMRRICRDRDdRdD741099. 44 .74525041%1 . 0,20,1003總共模抑制比則電阻誤差閉環(huán)差動增益器件的已知差動放大器比比ICIC器件的共模抑制比小器件的共模抑制比小26dB26dB，而當，而當A Ad d 1 1時，放大電路的時，放大電路的共模抑制比進而下降為共模抑

26、制比進而下降為 53.9dB53.9dB。理論上可以使電阻失配造。理論上可以使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，使抵消，使A Ac c趨于零。但實際電阻的阻值隨溫度、時間而漂移，趨于零。但實際電阻的阻值隨溫度、時間而漂移，CMRRCMRRD D的非線性，這種方法的效果是有限的。經(jīng)過調(diào)整可的非線性，這種方法的效果是有限的。經(jīng)過調(diào)整可以使以使CMRRCMRR比比CMRRCMRRD D高一個數(shù)量級。高一個數(shù)量級。生物醫(yī)學電子學放大電路閉環(huán)增益放大電路閉環(huán)增益外電路電阻匹配精度外電路電阻匹配精度 放大器件本身的放大器

27、件本身的CMRRD小結(jié)：小結(jié)：CMRR受三個因素的影響受三個因素的影響差動放大電路是生物電放大器前置級設計中通常采用的基差動放大電路是生物電放大器前置級設計中通常采用的基本結(jié)構(gòu)，為了提高放大器的共模抑制能力，應掌握限制共本結(jié)構(gòu)，為了提高放大器的共模抑制能力，應掌握限制共模抑制比提高的各種因素。模抑制比提高的各種因素。作為生物電放大器前置級，必須具有高輸入阻抗。基本差作為生物電放大器前置級，必須具有高輸入阻抗?；静顒臃糯箅娐返妮斎胱杩故欠駶M足要求動放大電路的輸入阻抗是否滿足要求? ? 生物醫(yī)學電子學在符合匹配條件下，由理想狀態(tài)可知，輸入阻抗在符合匹配條件下，由理想狀態(tài)可知，輸入阻抗 12Rri 提高輸入電阻，必須加大提高輸入電阻，必須加大R R1 1，但是加大，但是加大R R1 1，失調(diào)電流及，失調(diào)電流及其漂移的影響必將加劇。如果選用具有場效應輸入級的運其漂移的影響必將加劇。如果選用具有場效應輸入級的運放器件組成放大電路，由于它的失調(diào)電流及其漂移小，可放器件組成放大電路，由于它的失調(diào)電