醫(yī)學(xué)電子儀器原理與技術(shù)課件

第一章醫(yī)學(xué)電子儀器與基礎(chǔ)電子電路醫(yī)學(xué)電子儀器的特點(diǎn)醫(yī)學(xué)電子儀器的分類半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)知識生物醫(yī)學(xué)放大電路電子振蕩電路直流穩(wěn)壓電路數(shù)字邏輯電路第一章醫(yī)學(xué)電子儀器與基礎(chǔ)電子電路醫(yī)學(xué)電子儀器的特點(diǎn)1差動(dòng)放大器（直流放大器）

各種生物電信號中包含了頻率很低的成分，還會遇到很多不變化或變化很慢的信號。這些直流或接近直流的慢變化信號不能用阻容耦合放大器進(jìn)行放大，需要頻帶從零開始的直流放大器。直流放大器將面臨兩個(gè)問題：一是前級和后級的靜態(tài)工作點(diǎn)互相影響，二是零點(diǎn)漂移問題。前級引起的零點(diǎn)漂移電壓，再被后級放大，最后將掩蓋正常的輸出。而差動(dòng)放大電路因其具有特殊的電路結(jié)構(gòu)，能夠有效地抑制零點(diǎn)漂移，被廣泛應(yīng)用于多級直接耦合放大電路的前置級。差動(dòng)放大器（直流放大器）各種生物電2電路結(jié)構(gòu)

基本差動(dòng)放大電路由兩個(gè)相同的共發(fā)射極放大電路組成。電路完全對稱，即晶體管特性相同，電路參數(shù)也相同。電路中，ui1、ui2為分別加到兩個(gè)輸入端的輸入信號電壓，uo與uo1、uo2。都是輸出信號電壓，這些輸入、輸出電壓信號可以是交流信號，也可以是直流信號。電路結(jié)構(gòu)基本差動(dòng)放大電路由兩個(gè)相同的共發(fā)射極放大3

輸入信號可以從兩個(gè)輸人端同時(shí)輸入（雙端輸入），也可以從一個(gè)輸入端輸入（單端輸入），輸出信號可以從兩個(gè)晶體管集電極之間取出（雙端輸出），也可以從一個(gè)晶體管的集電極取出（單端輸出），根據(jù)實(shí)際需要，可靈活選擇各種輸入輸出方式。輸入信號可以從兩個(gè)輸人端同時(shí)輸入（雙端輸入），也可以4抑制零點(diǎn)漂移

在靜態(tài)時(shí)，由于電路的對稱性，兩個(gè)晶體管的集電極電流相等，集電極電位也相等，所以輸出電壓:uo=UC1-UC2=0。當(dāng)溫度升高時(shí)，兩管的集電極電流都增大，集電極電位都下降了，且兩邊的變化量也相等，仍可保證uo=0。因此雖然針對每個(gè)晶體管而言都產(chǎn)生了漂移，但由于變化量的相等而互相抵消了，所以輸出電壓仍為零，這就完全抑制了零點(diǎn)漂移。這是該電路對稱性帶來的突出優(yōu)點(diǎn)。抑制零點(diǎn)漂移在靜態(tài)時(shí)，由于電路的對稱性，兩個(gè)晶體管5信號輸入方式(1)共模輸入

輸入兩個(gè)電壓大小相等、極性相同的輸入信號稱為共模輸入。此時(shí)，因電路結(jié)構(gòu)對稱，兩管集電極電位的變化大小相等，極性相同，所以在雙端輸出電壓uo保持為零?？梢?，在電路完全對稱的理想情況下，差動(dòng)放大器在輸入共模信號時(shí)不產(chǎn)生輸出電壓。這時(shí)的電壓放大倍數(shù)定義為共模電壓放大倍數(shù)Ac，即Ac=Uo/Uic。理想情況下，差動(dòng)放大電路的共模電壓放大倍數(shù)為零。但實(shí)際上電路完全對稱是很難做到的，所以實(shí)際的差動(dòng)放大電路的共模電壓放大倍數(shù)是一個(gè)很小的數(shù)。信號輸入方式(1)共模輸入6

差動(dòng)放大電路因溫度變化或電源波動(dòng)，引起兩管集電極電位的變化，可看成是在輸入端施加了等效的共模信號。因此，電路的對稱性越好，抑制零漂的能力越強(qiáng)；抑制共模信號的能力越強(qiáng)，共模電壓放大倍數(shù)就越小。即差動(dòng)放大電路的共模電壓放大倍數(shù)越小，其抑制零漂的能力就越強(qiáng)。差動(dòng)放大電路因溫度變化或電源波動(dòng)，引起兩管集電極電位的7(2)差模輸入

輸入兩個(gè)電壓的大小相等、極性相反的輸入信號稱為差模輸入。若設(shè)ui1=(1/2)uid，ui2=-(1/2)uid，則ui1-ui2=uid，此時(shí)，兩晶體管電流和集電極電位的變化是相反的。在雙端輸出時(shí)，輸出電壓的變化量是每個(gè)管子集電極電位變化量的兩倍。當(dāng)輸入差模信號uid、輸出電壓Uo時(shí)，兩者之比即為差模放大倍數(shù)，用Ad表示。設(shè)單管放大電路的電壓放大倍數(shù)為A1，則：(2)差模輸入8

上式表明，用兩個(gè)晶體管組成的差動(dòng)放大電路，雙端輸出時(shí)的電壓放大倍數(shù)與單管共發(fā)射極放大電路的電壓放大倍數(shù)相同。實(shí)際上這種電路是以犧牲一個(gè)管子的放大作用為代價(jià)換取了對零漂的抑制能力。上式表明，用兩個(gè)晶體管組成的差動(dòng)放大電路，雙端輸出時(shí)的9(3)任意信號輸入

兩個(gè)輸入信號電壓既非共模又非差模，其大小和極性都是任意的，稱為任意信號輸入。針對這種信號通常是將它們分解成既包含有差模信號分量，又包含有共模信號分量的合成信號。通過差動(dòng)放大電路后，其共模信號分量受到抑制，而差模信號分量才能得到放大，即體現(xiàn)了差動(dòng)放大電路在輸入信號有差別時(shí)，才動(dòng)作（放大）的特點(diǎn)。(3)任意信號輸入10共模抑制比

為了說明差動(dòng)放大電路抑制共模信號和放大差模信號的能力，常用共模抑制比作為衡量指標(biāo)，其定義為：差模電壓放大倍數(shù)Ad與共模電壓放大倍數(shù)Ac的模值之比。記作CMRR，即：共模抑制比越大，放大電路的性能就越好。共模抑制比為了說明差動(dòng)放大電路抑制共模信號和放大差11

【小結(jié)】

1.放大電路的實(shí)質(zhì)是用小信號控制大信號，以實(shí)現(xiàn)信號放大作用。對于放大電路的分析包括靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析兩個(gè)方面。靜態(tài)分析用來確定放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。動(dòng)態(tài)分析通常采用估算法和圖解法來分析放大電路的工作狀態(tài)、非線性失真，確定動(dòng)態(tài)范圍和最佳工作點(diǎn)。2.共發(fā)射極電路具有較大的電壓放大倍數(shù)、較小的輸入電阻和較大的輸出電阻。多級放大電路由單級放大電路級聯(lián)組成，級間常采用阻容耦合和直接耦合的連接方式。【小結(jié)】1.放大電路的實(shí)質(zhì)是用小信號控制大信號，以實(shí)現(xiàn)信12

【小結(jié)】

3.直接耦合放大電路既可以放大交流信號，又可以放大緩慢變化的信號。零點(diǎn)漂移是其突出問題。差動(dòng)放大電路用來放大差模信號，抑制共模信號。4.放大電路存在非線性失真（截止失真和飽和失真）等現(xiàn)象，可通過選擇元件參數(shù)、設(shè)置合適的工作點(diǎn)、采用一些穩(wěn)定工作點(diǎn)的措施、減小輸入信號等方法來削弱和消除?！拘〗Y(jié)】3.直接耦合放大電路既可以放大交流信號，13運(yùn)算放大器

傳統(tǒng)的放大器是分立元件的。隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)快速發(fā)展，20世紀(jì)60年代初出現(xiàn)了集成電路放大器，所謂集成電路就是把電路中的所有元器件及連接導(dǎo)線都制作在一塊硅片上，構(gòu)成具有特定功能的電子電路，提高了電子設(shè)備的可靠性，重量減少，體積縮小，功耗降低。集成電路有小規(guī)模SSI、中規(guī)模MSI、大規(guī)模LSI和超大規(guī)模VLSI之分，目前超大規(guī)模集成電路中每塊芯片上制有上億個(gè)元件，而芯片面積僅有幾個(gè)平方毫米。運(yùn)算放大器傳統(tǒng)的放大器是分立元件的。隨著半導(dǎo)體制造14集成電路按功能來分，有數(shù)字集成電路和模擬集成電路。模擬集成電路種類很多，有運(yùn)算放大器、功率放大器、模擬乘法器、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓電源等。在模擬集成電路中，集成電路運(yùn)算放大器（簡稱集成運(yùn)放）是應(yīng)用非常廣泛的一種。集成電路按功能來分，有數(shù)字集成電路和模擬集成電路。模151.集成運(yùn)算放大器簡介

運(yùn)算放大器簡稱為運(yùn)放，集成運(yùn)放是一種高電壓放大倍數(shù)的多級直接耦合放大器，因最早用于模擬計(jì)算機(jī)對輸入信號進(jìn)行模擬運(yùn)算而得名。隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，集成運(yùn)放已成為一種通用的高性能放大器。具有性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長、體積小、重量輕、耗電量少等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、精密測量、通信、電源等電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，可完成放大、振蕩、調(diào)制、解調(diào)以及模擬信號的各種運(yùn)算和脈沖信號的產(chǎn)生等。1.集成運(yùn)算放大器簡介運(yùn)算放大器簡稱為運(yùn)放，集成162.集成運(yùn)放的組成

集成運(yùn)放通常由輸入放大級、中間電壓放大級、輸出級以及偏置電路等四部分組成。輸入級采用差動(dòng)放大電路，輸入阻抗高、零點(diǎn)漂移小、抗共模干擾能力強(qiáng)；中間級一般由共發(fā)射極放大電路構(gòu)成，主要用于高增益的電壓放大；輸出級與負(fù)載相接，輸出阻抗低、帶負(fù)載能力強(qiáng)、能夠提供足夠大的電壓與電流；偏置電路的作用是給上述各級電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點(diǎn)。2.集成運(yùn)放的組成集成運(yùn)放通常由輸入放大級、中間電17集成運(yùn)放的基本組成集成運(yùn)放的基本組成18

在電路中，常用上圖所示的電路符號表示運(yùn)算放大器。它有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。反相輸入端標(biāo)“-”號，同相輸入端標(biāo)“+”號。輸出電壓與反相輸入電壓相位相反，與同相輸入電壓相位相同。此外還有兩個(gè)端分別接正、負(fù)電源，有些集成運(yùn)放還有調(diào)零端和相位補(bǔ)償端。在電路中不畫出。在電路中，常用上圖所示的電路符號表示運(yùn)算放大器。它有19集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)

(1)輸入失調(diào)電壓UIO：對于理想集成運(yùn)放，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓應(yīng)該為零。但由于制造工藝等原因，實(shí)際的集成運(yùn)放在輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓常不為零。為了使輸出電壓為零，需在輸入端加一適當(dāng)?shù)闹绷餮a(bǔ)償電壓，這個(gè)輸入電壓叫做輸入失調(diào)電壓UIO，其值等于輸入電壓為零時(shí)，輸出的電壓折算到輸入端的電壓值。UIO一般為毫伏級，它的大小反映了差動(dòng)輸入級的對稱程度，失調(diào)電壓越大，集成運(yùn)放的對稱性越差。集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)(1)輸入失調(diào)電壓UIO：20(2)輸入失調(diào)電流IIO：輸入失調(diào)電流是指輸入信號為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流之差，一般為輸入靜態(tài)偏置電流的十分之一左右。IIO是由差動(dòng)輸入級兩個(gè)晶體管的值不一致所引起的。

(3)開環(huán)電壓放大倍數(shù)Au：開環(huán)電壓放大倍數(shù)是指集成運(yùn)放在無外接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。一般運(yùn)放的Au都很大，一般為104～107。(2)輸入失調(diào)電流IIO：21(4)輸入阻抗ri和輸出阻抗ro：

輸入阻抗ri是指運(yùn)放開環(huán)運(yùn)用時(shí)，從兩個(gè)輸入端看進(jìn)去的動(dòng)態(tài)阻抗，它等于兩個(gè)輸入端之間的電壓Ui變化與其引起的輸入電流Ii的變化之比，ri越大越好。輸出阻抗ro是指運(yùn)放開環(huán)運(yùn)用時(shí)，從輸出端與地端看進(jìn)去的動(dòng)態(tài)阻抗。一般在幾百歐姆之內(nèi)。

(5)共模抑制比CMRR：

共模抑制比是指集成運(yùn)放開環(huán)運(yùn)用時(shí)，差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比。CMRR值越大，抗共模干擾能力越強(qiáng)，一般集成運(yùn)放的CMRR都可達(dá)到80dB，高質(zhì)量的集成運(yùn)放可達(dá)l00dB以上。

(4)輸入阻抗ri和輸出阻抗ro：223.集成運(yùn)算放大器的理想模型

集成運(yùn)放理想化的條件是：開環(huán)電壓放大倍數(shù)Au→∞，輸入阻抗ri→∞，輸出阻抗ro→0，共模抑制比CMRR→∞，輸入信號為零時(shí)，輸出電壓為0，且特性不隨溫度而變化。由此，理想運(yùn)放在線性運(yùn)用時(shí)有以下兩個(gè)重要的結(jié)論：⑴運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電壓近似相等，即U+≈U-：因?yàn)锳u→∞，則Ui=U+-U-=Uo/Au=0，所以U+=U-。⑵兩個(gè)輸入端的輸入電流近似為零，即Ii≈0。

因?yàn)閞i→∞，所以有：I+=I-=0。3.集成運(yùn)算放大器的理想模型集成運(yùn)放理想化的條件是23反相放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)

式中的負(fù)號表示輸入與輸出反相；反相放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)式中的負(fù)號表示輸入24同相放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)

同相放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)254.測量放大器

在生物信號檢測中，由于生物醫(yī)學(xué)信號幅度小、信號源內(nèi)阻大、環(huán)境干擾引起的共模干擾大，因此獲取信號要求用輸入阻抗高和高共模抑制比的放大器，這種通用放大器就是測量放大器。它的基本作用是把微弱的生物電信號進(jìn)行放大，使其可以進(jìn)一步被處理、記錄或顯示。目前，通用測量放大器一般采用同相并聯(lián)型差分放大器的電路形式，它具有輸入阻抗高、共模抑制比大和增益可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)信號檢測中，目前心電圖機(jī)前置放大器多采用此電路。4.測量放大器在生物信號檢測中，由于生物醫(yī)學(xué)信號26

左圖是同相并聯(lián)型差分放大器即測量放大器的電路原理圖，其第一級是由兩個(gè)運(yùn)放A1、A2組成，信號由兩個(gè)同相輸入差分放大器輸入，因而有很高的輸入阻抗。第二級是由A3構(gòu)成的基本差分放大器。A3是電路具有高共模抑制比的主要環(huán)節(jié)，只要保證A3的外圍電阻具有對稱性，就可以使電路具有很高的共模抑制比。通過分析可以得出，該電路的放大倍數(shù)為：左圖是同相并聯(lián)型差分放大器即測量放大器的電路原理圖27負(fù)反饋放大器1.負(fù)反饋的概念及分類

反饋就是把一個(gè)系統(tǒng)的全部或部分輸出信號通過某種環(huán)節(jié)，送回到輸入端，與系統(tǒng)的輸入信號相疊加，以改善系統(tǒng)性能的措施。從反饋信號與原輸入信號的相位關(guān)系來看，當(dāng)反饋信號與原信號相位相反時(shí)，減弱了輸入信號，稱負(fù)反饋。

負(fù)反饋放大器1.負(fù)反饋的概念及分類28

使用了負(fù)反饋技術(shù)的放大電路稱為負(fù)反饋放大器，如圖1.35所示，圖中Ui為輸入信號，Uo為輸出信號，Uf為反饋信號，A0為放大器的放大倍數(shù)，F(xiàn)為反饋系數(shù)，它等于反饋信號與輸出信號之比，即F=Uf/Uo，Ui’為Ui與Uf合成之后的實(shí)際輸入信號。+A0使用了負(fù)反饋技術(shù)的放大電路稱為負(fù)反饋放大器，如圖1.29

關(guān)于負(fù)反饋的方式，從反饋信號與輸出電壓或輸出電流成正比的關(guān)系來分：當(dāng)反饋信號與輸出電壓的大小成正比時(shí)，稱電壓負(fù)反饋；與輸出電流大小成正比時(shí)，稱電流負(fù)反饋。從反饋信號與輸入信號的連接方式來分：當(dāng)反饋信號與輸入信號是串聯(lián)在一起控制輸入信號電壓大小的，稱為串聯(lián)負(fù)反饋；與輸入信號是并聯(lián)在一起控制輸入信號電流大小的，稱為并聯(lián)負(fù)反饋。歸納起來，負(fù)反饋共有四種方式，即電流串聯(lián)負(fù)反饋、電壓串聯(lián)負(fù)反饋、電壓并聯(lián)負(fù)反饋、電流并聯(lián)負(fù)反饋。關(guān)于負(fù)反饋的方式，從反饋信號與輸出電壓或輸出電流成正比的關(guān)302.負(fù)反饋對放大器性能的改善

放大器加入負(fù)反饋環(huán)節(jié)，雖然削弱了輸入信號，減小了放大倍數(shù)，但卻使放大電路的很多性能得到了改善。如使放大倍數(shù)更穩(wěn)定，通頻帶加寬，放大器非線性失真變小，同時(shí)也改變了輸入電阻和輸出電阻。2.負(fù)反饋對放大器性能的改善放大器加入負(fù)反饋環(huán)節(jié)，31(1)放大倍數(shù)更穩(wěn)定

基本放大器的放大倍數(shù)為Ao=Uo/Ui，而包括負(fù)反饋電路在內(nèi)的整個(gè)負(fù)反饋放大器的放大倍數(shù)為AF，AF=Ao/(1+AoF)，式中AoF的大小決定了AF值的大小，被稱為負(fù)反饋深度，它的數(shù)值越大，AF就越小，即說明負(fù)反饋的作用就越強(qiáng)。當(dāng)AoF≥l時(shí)，AF≈l/F，稱此電路具有深度負(fù)反饋，此時(shí)的電壓放大倍數(shù)AF完全由負(fù)反饋電路參數(shù)決定。(1)放大倍數(shù)更穩(wěn)定基本放大器的放大倍數(shù)為Ao=U32

環(huán)境溫度變化、元器件老化、電流電壓變化及負(fù)載的變化等原因都會使放大器的放大倍數(shù)發(fā)生變化。引入負(fù)反饋后，尤其是深度負(fù)反饋，放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)只取決于反饋網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)而與基本放大的特性無關(guān)，而反饋網(wǎng)絡(luò)又多由性能穩(wěn)定的無源線性元件（如電阻、電容等）組成，因此，整個(gè)放大器的放大倍數(shù)就很穩(wěn)定。環(huán)境溫度變化、元器件老化、電流電壓變化及負(fù)載的變化等33

如果某些原因使輸出信號減小，則反饋信號也減小，使凈輸入信號增大，通過負(fù)反饋對輸入端信號進(jìn)行修正，由此牽制了輸出信號的減小，使放大器比較穩(wěn)定地工作。其中電流負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電流，電壓負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電壓。如果某些原因使輸出信號減小，則反饋信號也減小，使凈輸34(2)通頻帶加寬

放大器都有一定的頻帶寬度，超過這一頻帶范圍，放大倍數(shù)將顯著減小。引入負(fù)反饋，可以展寬放大器的頻帶。由式AF＝l/F可知，在深度負(fù)反饋下，AF不隨A變化，而僅取決于F。若選用純電阻元件構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò)，則F將是一個(gè)與頻率無關(guān)的常數(shù)。顯然，負(fù)反饋展寬了放大器的頻帶。(2)通頻帶加寬放大器都有一定的頻帶寬度，超過這一35(3)非線性失真變小

負(fù)反饋放大器還可減少非線性失真。這是因?yàn)樾盘栯妷夯螂娏鞔蟛糠侄急回?fù)反饋抵消，實(shí)際輸入基本放大器的電壓或電流很小。非線性失真是在大信號輸入時(shí)發(fā)生的，所以負(fù)反饋可以減少非線性失真。(3)非線性失真變小負(fù)反饋放大器還可減少非線性失真36(4)改變放大器輸入、輸出電阻

負(fù)反饋的類型不同，對放大器的輸入、輸出電阻影響也不同。采用串聯(lián)負(fù)反饋可以提高放大器的輸入電阻。這是因?yàn)榇?lián)負(fù)反饋的反饋信號總是以電壓的形式送回到輸入端，它抵消了一部分輸入電壓而使凈輸入電壓減小，則同樣Ui下的輸入電流ii減小，故放大器的輸入電阻提高。(4)改變放大器輸入、輸出電阻負(fù)反饋的類型不同，37

采用并聯(lián)負(fù)反饋可以使輸入電阻降低，因?yàn)椴⒙?lián)負(fù)反饋的引入相當(dāng)于在輸入回路中增加了一條并聯(lián)支路（如圖），信號源所提供的輸入電流為ii=ii’+if，顯然比無反饋時(shí)(ii=ii’)增大了，因而使輸入電阻降低。采用并聯(lián)負(fù)反饋可以使輸入電阻降低，因?yàn)椴⒙?lián)負(fù)反饋的引38

負(fù)反饋使放大電路的輸出電阻降低還是提高與電壓反饋還是電流反饋有關(guān)。電壓負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，電路近于恒壓源，因此電壓負(fù)反饋可使輸出電阻降低。實(shí)際的集成運(yùn)放輸出電阻本來就很小（一般為幾十歐至幾百歐），采用電壓負(fù)反饋后，可使其輸出電阻降至小于1Ω，近似為零。因此引入電壓負(fù)反饋的集成運(yùn)放輸出電壓非常穩(wěn)定，帶負(fù)載能力很強(qiáng)。電流負(fù)反饋起到穩(wěn)定輸出電流的作用，電壓近于恒流源，因此電流負(fù)反饋可使輸出電阻提高。負(fù)反饋使放大電路的輸出電阻降低還是提高與電壓反饋還是39

生物醫(yī)學(xué)放大器中常常存在著在線路圖上看不出來的反饋環(huán)節(jié)，如電源寄生反饋，它主要是由于電源總有內(nèi)阻，當(dāng)后級的輸出電流通過電源時(shí)，輸出電流的改變使電源電壓也隨之改變，這個(gè)改變量作用到前級上導(dǎo)致反饋，且常常成為正反饋。這種寄生反饋不僅影響放大器性能，而且當(dāng)正反饋過大時(shí)，還可使放大器變成振蕩器而不能正常工作。生物醫(yī)學(xué)放大器中常常存在著在線路圖上看不出來的反饋環(huán)40

解決的方法可以采用：其一，再外加一個(gè)電源以供給最后一級的輸出電流。其二，增加低通濾波器，即電源退耦電路，濾掉電源電壓波動(dòng)。還應(yīng)指出，由于分布電容的影響，高頻信號在反饋回路和基本放大電路中都有位相變化，負(fù)反饋在某些頻率上可能轉(zhuǎn)變?yōu)檎答?，此外，分布電容在高頻時(shí)還可形成新的反饋回路。當(dāng)正反饋過大時(shí)，放大器將發(fā)生高頻振蕩而不能正常工作。最后指出，由于反饋回路中的電阻產(chǎn)生熱噪聲，降低了放大器的噪聲系數(shù)，所以反饋回路申的電阻值不宜過大。解決的方法可以采用：其一，再外加一個(gè)電源以供給最后一411.5電子振蕩電路

在電子線路中，不加輸入信號就有信號輸出，這種現(xiàn)象稱為自激振蕩，實(shí)現(xiàn)振蕩的電路稱為振蕩器。振蕩器在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用非常廣泛，如超聲波診斷儀、各種電療機(jī)等都應(yīng)用了振蕩器。利用振蕩可以產(chǎn)生不同波形和不同頻率的交變電壓，常見的振蕩器有兩類，一類是正弦波振蕩器，另一類是非正弦波振蕩器。1.5電子振蕩電路在電子線路中，不加輸42

振蕩電路一般是放大電路加入正反饋后產(chǎn)生自激振蕩。但放大電路要產(chǎn)生自激振蕩，必須具備兩個(gè)基本條件：⑴相位條件，指反饋信號與輸入信號的相位相同；⑵幅度條件，指反饋信號應(yīng)大于或等于輸入信號。只有滿足了以上兩個(gè)基本條件，電路才形成自激振蕩。振蕩電路一般是放大電路加入正反饋后產(chǎn)生43

雖然具備了上述兩個(gè)條件的正反饋放大器能夠產(chǎn)生自激振蕩，但是，如果同時(shí)有許多頻率的信號而不是一種頻率都滿足這些條件，那么輸出端獲得的振蕩信號將不是單一頻率的正弦波，而是一個(gè)包含有多種頻率信號合成的非正弦波或矩形波。為了獲得單一頻率的正弦波，振蕩電路還必須具有選頻作用，具有這種特性的電路稱選頻電路。多頻率的信號通過選頻電路后，只有某一頻率才滿足振蕩的兩個(gè)基本條件，從而得到單一頻率的正弦波信號。雖然具備了上述兩個(gè)條件的正反饋放大器44

選頻電路可以由R、C元件組成，也可用L、C元件組成，還可以由石英晶體組成。在實(shí)際的振蕩電路中，選頻電路可以作為一個(gè)獨(dú)立的部分，也可以包含在反饋電路中或基本放大器之中?？梢姡瑥脑砩现v，一個(gè)自激正弦波振蕩器必須由以下三部分組成：基本放大器、正反饋電路、選頻電路。

選頻電路可以由R、C元件組成，也可用45

在振蕩電路中含有微小的電擾動(dòng)，如接通直流電源的一瞬間所產(chǎn)生的電脈沖及電路的熱噪聲等。由于振蕩電路是一個(gè)閉合的正反饋系統(tǒng)，因此電擾動(dòng)最終總要傳送到基本放大器的輸入端，成為最初的輸入電壓。這些電擾動(dòng)一般都包含有豐富的頻率成分，但在選頻電路的作用下，只有某一頻率的分量可以順利的通過，其余頻率成分均被抑制。自激振蕩的建立在振蕩電路中含有微小的電擾動(dòng)，如接通46被選出的頻率分量放大后，經(jīng)反饋電路又回送到基本放大器的輸入端，形成一個(gè)循環(huán)。第一循環(huán)結(jié)束時(shí)第二循環(huán)即開始，如此循環(huán)往復(fù)繼續(xù)下去。如果在每次循環(huán)中，被選頻率分量的反饋電壓與循環(huán)開始時(shí)的輸入電壓相比較，不僅相位相同，而且振幅也增大，那么經(jīng)過上述放大-正反饋-再放大-再正反饋的循環(huán)過程，被選頻率分量的振蕩將迅速增大，這樣自激振蕩就建立起來了。被選出的頻率分量放大后，經(jīng)反饋電路又47

上述的振蕩信號會不會無止境地增長下去呢？實(shí)際上是不會的，因?yàn)殡S著振蕩的增長，反饋信號愈來愈大，必將導(dǎo)致晶體三極管進(jìn)入非線性工作狀態(tài)，放大器的放大倍數(shù)反而降低，使信號幅度有減少的趨勢。因此正反饋使整個(gè)電路的振幅不斷增長，而放大器的非線性則使之減小，最后達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定的幅度，從而獲得等幅振蕩。上述的振蕩信號會不會無止境地增長下去48RC正弦波振蕩電路

左圖是運(yùn)算放大器與RC串并聯(lián)選頻電路組成的文氏橋式振蕩器。圖中運(yùn)放的輸出電壓Uo分兩路反饋，一路加于RC串并聯(lián)選頻電路，其輸出端A與運(yùn)放的同相端(+)連接；另一路經(jīng)電阻R3、R4分壓，反饋到運(yùn)放的反相端(-)。這種電路相當(dāng)于一個(gè)電橋，其中串聯(lián)RC、并聯(lián)RC、R3、R4為四個(gè)橋臂，A、B為電橋的兩個(gè)輸出端點(diǎn)，運(yùn)放的輸出電壓Uo為電橋的電源，故這種電路稱為RC橋式振蕩器。RC正弦波振蕩電路左圖是運(yùn)算放大器與RC串并聯(lián)選頻49

在本電路中，R1、C1、R2、C2構(gòu)成選頻電路。當(dāng)f=f0=1/2RC時(shí)，RC電路構(gòu)成一個(gè)正反饋支路，滿足振蕩的相位條件。這時(shí)RC選頻電路的反饋系數(shù)最大，為1/3。因此，要維持振蕩就要求運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)大于3。R3、R4構(gòu)成負(fù)反饋回路，適當(dāng)調(diào)節(jié)R3、R4的值，使運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)大于3，就可以維持振蕩。在本電路中，R1、C1、R2、C2構(gòu)成50

為了獲得不失真的正弦波及幅度穩(wěn)定的輸出，圖中負(fù)反饋支路的R3采用熱敏電阻，它是一種負(fù)溫度系數(shù)的元件，阻值隨溫度的升高而變小。當(dāng)振蕩器輸出幅度增加時(shí)，通過R3的電流必然增大，熱敏電阻的功耗增加，溫度升高，R3的阻值降低，負(fù)反饋增強(qiáng)，運(yùn)放的放大倍數(shù)A降低，振蕩減弱。從而限制了輸出幅度的上升。反之，如果輸出電壓幅度減小，則熱敏電阻的功耗降低，溫度降低，R3的阻值增大，負(fù)反饋減弱，放大倍數(shù)上升，限制了輸出幅度的下降?？梢?，R3用熱敏電阻可起到自動(dòng)穩(wěn)定振蕩幅度的作用。

為了獲得不失真的正弦波及幅度穩(wěn)定的輸51

RC橋式振蕩器的振蕩頻率和輸出幅度比較穩(wěn)定，波形失真小，可產(chǎn)生幾千赫到0.001Hz的低頻正弦波信號，而且頻率調(diào)節(jié)方便。RC選頻電路的體積小、價(jià)格低，便于整個(gè)電路的微型化，因而在醫(yī)學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。RC橋式振蕩器的振蕩頻率和輸出幅度比52LC正弦波振蕩電路左圖是變壓器反饋式LC振蕩電路。圖中選頻電路由LC電路構(gòu)成，反饋電壓由L2引出，再經(jīng)CB送回到放大器的輸入端，加于基極與發(fā)射極之間，三極管將L2反饋的信號放大，加于LC并聯(lián)諧振回路。圖中的黑點(diǎn)位置表示相位相同的端頭，稱為同名端，如果線圈L和L2的繞法及連接方式使L2的1端與集電極反相位，而集電極又與基極的信號反相位，使反饋信號與輸入信號同相位，這就形成正反饋，從而滿足了振蕩的相位條件。LC正弦波振蕩電路左圖是變壓器反饋式LC振蕩電路。圖中53

只要三極管有足夠的放大量，線圈L2有一定的匝數(shù)，L和L2之間的耦合達(dá)到合適的程度，就可以滿足振蕩的幅度條件。當(dāng)直流電源Ec接通時(shí)，在LC振蕩回路內(nèi)會產(chǎn)生一個(gè)電沖擊，出現(xiàn)一個(gè)不大的信號，經(jīng)過多次放大、正反饋、選頻后，幅度將不斷增大，在集電極負(fù)載LC回路上得到一個(gè)較大的輸出信號電壓，其頻率由LC并聯(lián)諧振回路的參數(shù)決定。最后受晶體三極管非線性的限制，幅度自動(dòng)穩(wěn)定在某一水平上，這時(shí)在負(fù)載LC回路上就有一等幅的正弦波振蕩電壓，經(jīng)線圈L1輸出。只要三極管有足夠的放大量，線圈L2有54

采用變壓器耦合方式，電路結(jié)構(gòu)簡單，容易起振。改變電容C的大小，可以方便地調(diào)節(jié)頻率。但由于變壓器分布參數(shù)的影響，振蕩頻率不能很高，輸出波形也不理想。

LC正弦波振蕩電路的諧振頻率為：采用變壓器耦合方式，電路結(jié)構(gòu)簡單，容55晶體正弦波振蕩電路

前述的LC振蕩器的品質(zhì)因數(shù)Q值不可能做得很高，一般在200以下，即使采取各種措施，振蕩頻率的穩(wěn)定度也很難超過10-5數(shù)量級。為了進(jìn)一步提高振蕩頻率的穩(wěn)定性，常用石英晶體代替LC振蕩器中的LC并聯(lián)諧振回路，構(gòu)成石英晶體振蕩器。在超聲診斷儀、各種遙測和病房監(jiān)護(hù)等醫(yī)用設(shè)備中常采用這種振蕩電路。晶體正弦波振蕩電路前述的LC振蕩器56石英晶體特性、符號及等效電路

天然石英是-種六棱柱晶體，其化學(xué)成分是SiO2，具有各向異性的物理性質(zhì)。將這種石英晶體按一定的方位角切割下來的薄片稱為晶片，在晶片的兩個(gè)對應(yīng)表面上噴涂金屬作為極板，引出兩根引線，就構(gòu)成了石英諧振器，又稱為石英晶體，左圖是其結(jié)構(gòu)示意圖及等效電路。石英晶體特性、符號及等效電路天然石英是-種六棱柱晶57

若在石英晶體的某一軸向加一壓力或拉力，則在受力面的兩側(cè)會出現(xiàn)異號電荷，這叫做晶體的正壓電效應(yīng)。相反，若在晶體上加一電場，晶體將會產(chǎn)生機(jī)械變形，晶體的厚薄會發(fā)生變化，這叫做晶體的逆壓電效應(yīng)。若在晶體的極板上加交變電壓，就會產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，而機(jī)械振動(dòng)又會產(chǎn)生交變電場。若在石英晶體的某一軸向加一壓力或拉力，58

在一般情況下，這種機(jī)械振動(dòng)和交變電場的幅度都很小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶體機(jī)械振動(dòng)的固有頻率相同時(shí)，兩者的幅度達(dá)到最大，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，與LC回路的諧振十分相似。石英晶體的固有頻率由晶片的切割方向和幾何尺寸決定，每一塊晶片都有它的固有頻率且非常穩(wěn)定，所以石英諧振器是一種非常理想的諧振回路。在一般情況下，這種機(jī)械振動(dòng)和交變電場的59

石英晶體的電特性可以用其等效電路表示。圖中Co是晶片金屬極板之間構(gòu)成的靜電容，約為幾皮法到幾十皮法，等效電感L為l0-3～102H，等效電容C為l0-2～10-1pF，等效電阻R表示振動(dòng)時(shí)的磨擦損耗，約為1～l0Ω。由于石英晶片的等效電感L很大，而C、R都很小，所以石英諧振回路的Q值（Q=ωoL/R）很大，可達(dá)104～106，這是普通的LC回路無法比擬的。因此，利用石英晶體組成振蕩器，可獲得很高的頻率穩(wěn)定性。石英晶體的電特性可以用其等效電路表示60

右圖其電抗—頻率特性曲線。當(dāng)外加頻率很低時(shí)，其電抗表現(xiàn)為電容性。隨著頻率的增加，容抗逐漸減小，當(dāng)f=f1時(shí)，等效電路的LCR支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振，其阻抗僅表現(xiàn)為純電阻R，通過串聯(lián)支路的電流達(dá)到最大值。當(dāng)f>f1時(shí)，該LCR串聯(lián)支路呈現(xiàn)電感性。隨著頻率的增加，感抗急劇增大，當(dāng)f=f2時(shí)，等效電路兩支路的電抗大小相等，晶體產(chǎn)生并聯(lián)諧振，其阻抗最大且呈純電阻性。當(dāng)頻率f>f2時(shí)，電路又呈現(xiàn)電容性。因此石英晶體不但有串聯(lián)諧振頻率f1，而且還有并聯(lián)諧振頻率f2，且f1、f2很接近。右圖其電抗—頻率特性曲線。當(dāng)外加頻率很低時(shí)，其電抗61

右圖是并聯(lián)型晶體振蕩電路，它實(shí)際上是一個(gè)電容反饋式振蕩器，晶體的總等效電感在振蕩中起到自動(dòng)穩(wěn)定頻率的作用，因而使得振蕩器的頻率穩(wěn)定性很高；右圖是并聯(lián)型晶體振蕩電路，它實(shí)際上是一個(gè)電容反饋式振62

右圖是串聯(lián)型晶體振蕩電路，它由兩級直接耦合的放大電路組成，只有頻率接近于晶體串聯(lián)諧振頻率的波動(dòng)才能滿足振蕩的條件，調(diào)節(jié)R可改變反饋量的大小，控制振蕩的強(qiáng)度。由于晶體的固有頻率很穩(wěn)定，而且Q值又很高，所以這種晶體振蕩器具有極高的頻率穩(wěn)定性。右圖是串聯(lián)型晶體振蕩電路，它由兩級直接耦合的放大電路63第一章醫(yī)學(xué)電子儀器與基礎(chǔ)電子電路醫(yī)學(xué)電子儀器的特點(diǎn)醫(yī)學(xué)電子儀器的分類半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)知識生物醫(yī)學(xué)放大電路電子振蕩電路直流穩(wěn)壓電路數(shù)字邏輯電路第一章醫(yī)學(xué)電子儀器與基礎(chǔ)電子電路醫(yī)學(xué)電子儀器的特點(diǎn)64差動(dòng)放大器（直流放大器）

各種生物電信號中包含了頻率很低的成分，還會遇到很多不變化或變化很慢的信號。這些直流或接近直流的慢變化信號不能用阻容耦合放大器進(jìn)行放大，需要頻帶從零開始的直流放大器。直流放大器將面臨兩個(gè)問題：一是前級和后級的靜態(tài)工作點(diǎn)互相影響，二是零點(diǎn)漂移問題。前級引起的零點(diǎn)漂移電壓，再被后級放大，最后將掩蓋正常的輸出。而差動(dòng)放大電路因其具有特殊的電路結(jié)構(gòu)，能夠有效地抑制零點(diǎn)漂移，被廣泛應(yīng)用于多級直接耦合放大電路的前置級。差動(dòng)放大器（直流放大器）各種生物電65電路結(jié)構(gòu)

基本差動(dòng)放大電路由兩個(gè)相同的共發(fā)射極放大電路組成。電路完全對稱，即晶體管特性相同，電路參數(shù)也相同。電路中，ui1、ui2為分別加到兩個(gè)輸入端的輸入信號電壓，uo與uo1、uo2。都是輸出信號電壓，這些輸入、輸出電壓信號可以是交流信號，也可以是直流信號。電路結(jié)構(gòu)基本差動(dòng)放大電路由兩個(gè)相同的共發(fā)射極放大66

輸入信號可以從兩個(gè)輸人端同時(shí)輸入（雙端輸入），也可以從一個(gè)輸入端輸入（單端輸入），輸出信號可以從兩個(gè)晶體管集電極之間取出（雙端輸出），也可以從一個(gè)晶體管的集電極取出（單端輸出），根據(jù)實(shí)際需要，可靈活選擇各種輸入輸出方式。輸入信號可以從兩個(gè)輸人端同時(shí)輸入（雙端輸入），也可以67抑制零點(diǎn)漂移

在靜態(tài)時(shí)，由于電路的對稱性，兩個(gè)晶體管的集電極電流相等，集電極電位也相等，所以輸出電壓:uo=UC1-UC2=0。當(dāng)溫度升高時(shí)，兩管的集電極電流都增大，集電極電位都下降了，且兩邊的變化量也相等，仍可保證uo=0。因此雖然針對每個(gè)晶體管而言都產(chǎn)生了漂移，但由于變化量的相等而互相抵消了，所以輸出電壓仍為零，這就完全抑制了零點(diǎn)漂移。這是該電路對稱性帶來的突出優(yōu)點(diǎn)。抑制零點(diǎn)漂移在靜態(tài)時(shí)，由于電路的對稱性，兩個(gè)晶體管68信號輸入方式(1)共模輸入

輸入兩個(gè)電壓大小相等、極性相同的輸入信號稱為共模輸入。此時(shí)，因電路結(jié)構(gòu)對稱，兩管集電極電位的變化大小相等，極性相同，所以在雙端輸出電壓uo保持為零。可見，在電路完全對稱的理想情況下，差動(dòng)放大器在輸入共模信號時(shí)不產(chǎn)生輸出電壓。這時(shí)的電壓放大倍數(shù)定義為共模電壓放大倍數(shù)Ac，即Ac=Uo/Uic。理想情況下，差動(dòng)放大電路的共模電壓放大倍數(shù)為零。但實(shí)際上電路完全對稱是很難做到的，所以實(shí)際的差動(dòng)放大電路的共模電壓放大倍數(shù)是一個(gè)很小的數(shù)。信號輸入方式(1)共模輸入69

差動(dòng)放大電路因溫度變化或電源波動(dòng)，引起兩管集電極電位的變化，可看成是在輸入端施加了等效的共模信號。因此，電路的對稱性越好，抑制零漂的能力越強(qiáng)；抑制共模信號的能力越強(qiáng)，共模電壓放大倍數(shù)就越小。即差動(dòng)放大電路的共模電壓放大倍數(shù)越小，其抑制零漂的能力就越強(qiáng)。差動(dòng)放大電路因溫度變化或電源波動(dòng)，引起兩管集電極電位的70(2)差模輸入

輸入兩個(gè)電壓的大小相等、極性相反的輸入信號稱為差模輸入。若設(shè)ui1=(1/2)uid，ui2=-(1/2)uid，則ui1-ui2=uid，此時(shí)，兩晶體管電流和集電極電位的變化是相反的。在雙端輸出時(shí)，輸出電壓的變化量是每個(gè)管子集電極電位變化量的兩倍。當(dāng)輸入差模信號uid、輸出電壓Uo時(shí)，兩者之比即為差模放大倍數(shù)，用Ad表示。設(shè)單管放大電路的電壓放大倍數(shù)為A1，則：(2)差模輸入71

上式表明，用兩個(gè)晶體管組成的差動(dòng)放大電路，雙端輸出時(shí)的電壓放大倍數(shù)與單管共發(fā)射極放大電路的電壓放大倍數(shù)相同。實(shí)際上這種電路是以犧牲一個(gè)管子的放大作用為代價(jià)換取了對零漂的抑制能力。上式表明，用兩個(gè)晶體管組成的差動(dòng)放大電路，雙端輸出時(shí)的72(3)任意信號輸入

兩個(gè)輸入信號電壓既非共模又非差模，其大小和極性都是任意的，稱為任意信號輸入。針對這種信號通常是將它們分解成既包含有差模信號分量，又包含有共模信號分量的合成信號。通過差動(dòng)放大電路后，其共模信號分量受到抑制，而差模信號分量才能得到放大，即體現(xiàn)了差動(dòng)放大電路在輸入信號有差別時(shí)，才動(dòng)作（放大）的特點(diǎn)。(3)任意信號輸入73共模抑制比

為了說明差動(dòng)放大電路抑制共模信號和放大差模信號的能力，常用共模抑制比作為衡量指標(biāo)，其定義為：差模電壓放大倍數(shù)Ad與共模電壓放大倍數(shù)Ac的模值之比。記作CMRR，即：共模抑制比越大，放大電路的性能就越好。共模抑制比為了說明差動(dòng)放大電路抑制共模信號和放大差74

【小結(jié)】

1.放大電路的實(shí)質(zhì)是用小信號控制大信號，以實(shí)現(xiàn)信號放大作用。對于放大電路的分析包括靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析兩個(gè)方面。靜態(tài)分析用來確定放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。動(dòng)態(tài)分析通常采用估算法和圖解法來分析放大電路的工作狀態(tài)、非線性失真，確定動(dòng)態(tài)范圍和最佳工作點(diǎn)。2.共發(fā)射極電路具有較大的電壓放大倍數(shù)、較小的輸入電阻和較大的輸出電阻。多級放大電路由單級放大電路級聯(lián)組成，級間常采用阻容耦合和直接耦合的連接方式?！拘〗Y(jié)】1.放大電路的實(shí)質(zhì)是用小信號控制大信號，以實(shí)現(xiàn)信75

【小結(jié)】

3.直接耦合放大電路既可以放大交流信號，又可以放大緩慢變化的信號。零點(diǎn)漂移是其突出問題。差動(dòng)放大電路用來放大差模信號，抑制共模信號。4.放大電路存在非線性失真（截止失真和飽和失真）等現(xiàn)象，可通過選擇元件參數(shù)、設(shè)置合適的工作點(diǎn)、采用一些穩(wěn)定工作點(diǎn)的措施、減小輸入信號等方法來削弱和消除?！拘〗Y(jié)】3.直接耦合放大電路既可以放大交流信號，76運(yùn)算放大器

傳統(tǒng)的放大器是分立元件的。隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)快速發(fā)展，20世紀(jì)60年代初出現(xiàn)了集成電路放大器，所謂集成電路就是把電路中的所有元器件及連接導(dǎo)線都制作在一塊硅片上，構(gòu)成具有特定功能的電子電路，提高了電子設(shè)備的可靠性，重量減少，體積縮小，功耗降低。集成電路有小規(guī)模SSI、中規(guī)模MSI、大規(guī)模LSI和超大規(guī)模VLSI之分，目前超大規(guī)模集成電路中每塊芯片上制有上億個(gè)元件，而芯片面積僅有幾個(gè)平方毫米。運(yùn)算放大器傳統(tǒng)的放大器是分立元件的。隨著半導(dǎo)體制造77集成電路按功能來分，有數(shù)字集成電路和模擬集成電路。模擬集成電路種類很多，有運(yùn)算放大器、功率放大器、模擬乘法器、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓電源等。在模擬集成電路中，集成電路運(yùn)算放大器（簡稱集成運(yùn)放）是應(yīng)用非常廣泛的一種。集成電路按功能來分，有數(shù)字集成電路和模擬集成電路。模781.集成運(yùn)算放大器簡介

運(yùn)算放大器簡稱為運(yùn)放，集成運(yùn)放是一種高電壓放大倍數(shù)的多級直接耦合放大器，因最早用于模擬計(jì)算機(jī)對輸入信號進(jìn)行模擬運(yùn)算而得名。隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，集成運(yùn)放已成為一種通用的高性能放大器。具有性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長、體積小、重量輕、耗電量少等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、精密測量、通信、電源等電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，可完成放大、振蕩、調(diào)制、解調(diào)以及模擬信號的各種運(yùn)算和脈沖信號的產(chǎn)生等。1.集成運(yùn)算放大器簡介運(yùn)算放大器簡稱為運(yùn)放，集成792.集成運(yùn)放的組成

集成運(yùn)放通常由輸入放大級、中間電壓放大級、輸出級以及偏置電路等四部分組成。輸入級采用差動(dòng)放大電路，輸入阻抗高、零點(diǎn)漂移小、抗共模干擾能力強(qiáng)；中間級一般由共發(fā)射極放大電路構(gòu)成，主要用于高增益的電壓放大；輸出級與負(fù)載相接，輸出阻抗低、帶負(fù)載能力強(qiáng)、能夠提供足夠大的電壓與電流；偏置電路的作用是給上述各級電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點(diǎn)。2.集成運(yùn)放的組成集成運(yùn)放通常由輸入放大級、中間電80集成運(yùn)放的基本組成集成運(yùn)放的基本組成81

在電路中，常用上圖所示的電路符號表示運(yùn)算放大器。它有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。反相輸入端標(biāo)“-”號，同相輸入端標(biāo)“+”號。輸出電壓與反相輸入電壓相位相反，與同相輸入電壓相位相同。此外還有兩個(gè)端分別接正、負(fù)電源，有些集成運(yùn)放還有調(diào)零端和相位補(bǔ)償端。在電路中不畫出。在電路中，常用上圖所示的電路符號表示運(yùn)算放大器。它有82集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)

(1)輸入失調(diào)電壓UIO：對于理想集成運(yùn)放，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓應(yīng)該為零。但由于制造工藝等原因，實(shí)際的集成運(yùn)放在輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓常不為零。為了使輸出電壓為零，需在輸入端加一適當(dāng)?shù)闹绷餮a(bǔ)償電壓，這個(gè)輸入電壓叫做輸入失調(diào)電壓UIO，其值等于輸入電壓為零時(shí)，輸出的電壓折算到輸入端的電壓值。UIO一般為毫伏級，它的大小反映了差動(dòng)輸入級的對稱程度，失調(diào)電壓越大，集成運(yùn)放的對稱性越差。集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)(1)輸入失調(diào)電壓UIO：83(2)輸入失調(diào)電流IIO：輸入失調(diào)電流是指輸入信號為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流之差，一般為輸入靜態(tài)偏置電流的十分之一左右。IIO是由差動(dòng)輸入級兩個(gè)晶體管的值不一致所引起的。

(3)開環(huán)電壓放大倍數(shù)Au：開環(huán)電壓放大倍數(shù)是指集成運(yùn)放在無外接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。一般運(yùn)放的Au都很大，一般為104～107。(2)輸入失調(diào)電流IIO：84(4)輸入阻抗ri和輸出阻抗ro：

輸入阻抗ri是指運(yùn)放開環(huán)運(yùn)用時(shí)，從兩個(gè)輸入端看進(jìn)去的動(dòng)態(tài)阻抗，它等于兩個(gè)輸入端之間的電壓Ui變化與其引起的輸入電流Ii的變化之比，ri越大越好。輸出阻抗ro是指運(yùn)放開環(huán)運(yùn)用時(shí)，從輸出端與地端看進(jìn)去的動(dòng)態(tài)阻抗。一般在幾百歐姆之內(nèi)。

(5)共模抑制比CMRR：

共模抑制比是指集成運(yùn)放開環(huán)運(yùn)用時(shí)，差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比。CMRR值越大，抗共模干擾能力越強(qiáng)，一般集成運(yùn)放的CMRR都可達(dá)到80dB，高質(zhì)量的集成運(yùn)放可達(dá)l00dB以上。

(4)輸入阻抗ri和輸出阻抗ro：853.集成運(yùn)算放大器的理想模型

集成運(yùn)放理想化的條件是：開環(huán)電壓放大倍數(shù)Au→∞，輸入阻抗ri→∞，輸出阻抗ro→0，共模抑制比CMRR→∞，輸入信號為零時(shí)，輸出電壓為0，且特性不隨溫度而變化。由此，理想運(yùn)放在線性運(yùn)用時(shí)有以下兩個(gè)重要的結(jié)論：⑴運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電壓近似相等，即U+≈U-：因?yàn)锳u→∞，則Ui=U+-U-=Uo/Au=0，所以U+=U-。⑵兩個(gè)輸入端的輸入電流近似為零，即Ii≈0。

因?yàn)閞i→∞，所以有：I+=I-=0。3.集成運(yùn)算放大器的理想模型集成運(yùn)放理想化的條件是86反相放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)

式中的負(fù)號表示輸入與輸出反相；反相放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)式中的負(fù)號表示輸入87同相放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)

同相放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)884.測量放大器

在生物信號檢測中，由于生物醫(yī)學(xué)信號幅度小、信號源內(nèi)阻大、環(huán)境干擾引起的共模干擾大，因此獲取信號要求用輸入阻抗高和高共模抑制比的放大器，這種通用放大器就是測量放大器。它的基本作用是把微弱的生物電信號進(jìn)行放大，使其可以進(jìn)一步被處理、記錄或顯示。目前，通用測量放大器一般采用同相并聯(lián)型差分放大器的電路形式，它具有輸入阻抗高、共模抑制比大和增益可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)信號檢測中，目前心電圖機(jī)前置放大器多采用此電路。4.測量放大器在生物信號檢測中，由于生物醫(yī)學(xué)信號89

左圖是同相并聯(lián)型差分放大器即測量放大器的電路原理圖，其第一級是由兩個(gè)運(yùn)放A1、A2組成，信號由兩個(gè)同相輸入差分放大器輸入，因而有很高的輸入阻抗。第二級是由A3構(gòu)成的基本差分放大器。A3是電路具有高共模抑制比的主要環(huán)節(jié)，只要保證A3的外圍電阻具有對稱性，就可以使電路具有很高的共模抑制比。通過分析可以得出，該電路的放大倍數(shù)為：左圖是同相并聯(lián)型差分放大器即測量放大器的電路原理圖90負(fù)反饋放大器1.負(fù)反饋的概念及分類

反饋就是把一個(gè)系統(tǒng)的全部或部分輸出信號通過某種環(huán)節(jié)，送回到輸入端，與系統(tǒng)的輸入信號相疊加，以改善系統(tǒng)性能的措施。從反饋信號與原輸入信號的相位關(guān)系來看，當(dāng)反饋信號與原信號相位相反時(shí)，減弱了輸入信號，稱負(fù)反饋。

負(fù)反饋放大器1.負(fù)反饋的概念及分類91

使用了負(fù)反饋技術(shù)的放大電路稱為負(fù)反饋放大器，如圖1.35所示，圖中Ui為輸入信號，Uo為輸出信號，Uf為反饋信號，A0為放大器的放大倍數(shù)，F(xiàn)為反饋系數(shù)，它等于反饋信號與輸出信號之比，即F=Uf/Uo，Ui’為Ui與Uf合成之后的實(shí)際輸入信號。+A0使用了負(fù)反饋技術(shù)的放大電路稱為負(fù)反饋放大器，如圖1.92

關(guān)于負(fù)反饋的方式，從反饋信號與輸出電壓或輸出電流成正比的關(guān)系來分：當(dāng)反饋信號與輸出電壓的大小成正比時(shí)，稱電壓負(fù)反饋；與輸出電流大小成正比時(shí)，稱電流負(fù)反饋。從反饋信號與輸入信號的連接方式來分：當(dāng)反饋信號與輸入信號是串聯(lián)在一起控制輸入信號電壓大小的，稱為串聯(lián)負(fù)反饋；與輸入信號是并聯(lián)在一起控制輸入信號電流大小的，稱為并聯(lián)負(fù)反饋。歸納起來，負(fù)反饋共有四種方式，即電流串聯(lián)負(fù)反饋、電壓串聯(lián)負(fù)反饋、電壓并聯(lián)負(fù)反饋、電流并聯(lián)負(fù)反饋。關(guān)于負(fù)反饋的方式，從反饋信號與輸出電壓或輸出電流成正比的關(guān)932.負(fù)反饋對放大器性能的改善

放大器加入負(fù)反饋環(huán)節(jié)，雖然削弱了輸入信號，減小了放大倍數(shù)，但卻使放大電路的很多性能得到了改善。如使放大倍數(shù)更穩(wěn)定，通頻帶加寬，放大器非線性失真變小，同時(shí)也改變了輸入電阻和輸出電阻。2.負(fù)反饋對放大器性能的改善放大器加入負(fù)反饋環(huán)節(jié)，94(1)放大倍數(shù)更穩(wěn)定

基本放大器的放大倍數(shù)為Ao=Uo/Ui，而包括負(fù)反饋電路在內(nèi)的整個(gè)負(fù)反饋放大器的放大倍數(shù)為AF，AF=Ao/(1+AoF)，式中AoF的大小決定了AF值的大小，被稱為負(fù)反饋深度，它的數(shù)值越大，AF就越小，即說明負(fù)反饋的作用就越強(qiáng)。當(dāng)AoF≥l時(shí)，AF≈l/F，稱此電路具有深度負(fù)反饋，此時(shí)的電壓放大倍數(shù)AF完全由負(fù)反饋電路參數(shù)決定。(1)放大倍數(shù)更穩(wěn)定基本放大器的放大倍數(shù)為Ao=U95

環(huán)境溫度變化、元器件老化、電流電壓變化及負(fù)載的變化等原因都會使放大器的放大倍數(shù)發(fā)生變化。引入負(fù)反饋后，尤其是深度負(fù)反饋，放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)只取決于反饋網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)而與基本放大的特性無關(guān)，而反饋網(wǎng)絡(luò)又多由性能穩(wěn)定的無源線性元件（如電阻、電容等）組成，因此，整個(gè)放大器的放大倍數(shù)就很穩(wěn)定。環(huán)境溫度變化、元器件老化、電流電壓變化及負(fù)載的變化等96

如果某些原因使輸出信號減小，則反饋信號也減小，使凈輸入信號增大，通過負(fù)反饋對輸入端信號進(jìn)行修正，由此牽制了輸出信號的減小，使放大器比較穩(wěn)定地工作。其中電流負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電流，電壓負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電壓。如果某些原因使輸出信號減小，則反饋信號也減小，使凈輸97(2)通頻帶加寬

放大器都有一定的頻帶寬度，超過這一頻帶范圍，放大倍數(shù)將顯著減小。引入負(fù)反饋，可以展寬放大器的頻帶。由式AF＝l/F可知，在深度負(fù)反饋下，AF不隨A變化，而僅取決于F。若選用純電阻元件構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò)，則F將是一個(gè)與頻率無關(guān)的常數(shù)。顯然，負(fù)反饋展寬了放大器的頻帶。(2)通頻帶加寬放大器都有一定的頻帶寬度，超過這一98(3)非線性失真變小

負(fù)反饋放大器還可減少非線性失真。這是因?yàn)樾盘栯妷夯螂娏鞔蟛糠侄急回?fù)反饋抵消，實(shí)際輸入基本放大器的電壓或電流很小。非線性失真是在大信號輸入時(shí)發(fā)生的，所以負(fù)反饋可以減少非線性失真。(3)非線性失真變小負(fù)反饋放大器還可減少非線性失真99(4)改變放大器輸入、輸出電阻

負(fù)反饋的類型不同，對放大器的輸入、輸出電阻影響也不同。采用串聯(lián)負(fù)反饋可以提高放大器的輸入電阻。這是因?yàn)榇?lián)負(fù)反饋的反饋信號總是以電壓的形式送回到輸入端，它抵消了一部分輸入電壓而使凈輸入電壓減小，則同樣Ui下的輸入電流ii減小，故放大器的輸入電阻提高。(4)改變放大器輸入、輸出電阻負(fù)反饋的類型不同，100

采用并聯(lián)負(fù)反饋可以使輸入電阻降低，因?yàn)椴⒙?lián)負(fù)反饋的引入相當(dāng)于在輸入回路中增加了一條并聯(lián)支路（如圖），信號源所提供的輸入電流為ii=ii’+if，顯然比無反饋時(shí)(ii=ii’)增大了，因而使輸入電阻降低。采用并聯(lián)負(fù)反饋可以使輸入電阻降低，因?yàn)椴⒙?lián)負(fù)反饋的引101

負(fù)反饋使放大電路的輸出電阻降低還是提高與電壓反饋還是電流反饋有關(guān)。電壓負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，電路近于恒壓源，因此電壓負(fù)反饋可使輸出電阻降低。實(shí)際的集成運(yùn)放輸出電阻本來就很?。ㄒ话銥閹资畾W至幾百歐），采用電壓負(fù)反饋后，可使其輸出電阻降至小于1Ω，近似為零。因此引入電壓負(fù)反饋的集成運(yùn)放輸出電壓非常穩(wěn)定，帶負(fù)載能力很強(qiáng)。電流負(fù)反饋起到穩(wěn)定輸出電流的作用，電壓近于恒流源，因此電流負(fù)反饋可使輸出電阻提高。負(fù)反饋使放大電路的輸出電阻降低還是提高與電壓反饋還是102

生物醫(yī)學(xué)放大器中常常存在著在線路圖上看不出來的反饋環(huán)節(jié)，如電源寄生反饋，它主要是由于電源總有內(nèi)阻，當(dāng)后級的輸出電流通過電源時(shí)，輸出電流的改變使電源電壓也隨之改變，這個(gè)改變量作用到前級上導(dǎo)致反饋，且常常成為正反饋。這種寄生反饋不僅影響放大器性能，而且當(dāng)正反饋過大時(shí)，還可使放大器變成振蕩器而不能正常工作。生物醫(yī)學(xué)放大器中常常存在著在線路圖上看不出來的反饋環(huán)103

解決的方法可以采用：其一，再外加一個(gè)電源以供給最后一級的輸出電流。其二，增加低通濾波器，即電源退耦電路，濾掉電源電壓波動(dòng)。還應(yīng)指出，由于分布電容的影響，高頻信號在反饋回路和基本放大電路中都有位相變化，負(fù)反饋在某些頻率上可能轉(zhuǎn)變?yōu)檎答?，此外，分布電容在高頻時(shí)還可形成新的反饋回路。當(dāng)正反饋過大時(shí)，放大器將發(fā)生高頻振蕩而不能正常工作。最后指出，由于反饋回路中的電阻產(chǎn)生熱噪聲，降低了放大器的噪聲系數(shù)，所以反饋回路申的電阻值不宜過大。解決的方法可以采用：其一，再外加一個(gè)電源以供給最后一1041.5電子振蕩電路

在電子線路中，不加輸入信號就有信號輸出，這種現(xiàn)象稱為自激振蕩，實(shí)現(xiàn)振蕩的電路稱為振蕩器。振蕩器在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用非常廣泛，如超聲波診斷儀、各種電療機(jī)等都應(yīng)用了振蕩器。利用振蕩可以產(chǎn)生不同波形和不同頻率的交變電壓，常見的振蕩器有兩類，一類是正弦波振蕩器，另一類是非正弦波振蕩器。1.5電子振蕩電路在電子線路中，不加輸105

振蕩電路一般是放大電路加入正反饋后產(chǎn)生自激振蕩。但放大電路要產(chǎn)生自激振蕩，必須具備兩個(gè)基本條件：⑴相位條件，指反饋信號與輸入信號的相位相同；⑵幅度條件，指反饋信號應(yīng)大于或等于輸入信號。只有滿足了以上兩個(gè)基本條件，電路才形成自激振蕩。振蕩電路一般是放大電路加入正反饋后產(chǎn)生106

雖然具備了上述兩個(gè)條件的正反饋放大器能夠產(chǎn)生自激振蕩，但是，如果同時(shí)有許多頻率的信號而不是一種頻率都滿足這些條件，那么輸出端獲得的振蕩信號將不是單一頻率的正弦波，而是一個(gè)包含有多種頻率信號合成的非正弦波或矩形波。為了獲得單一頻率的正弦波，振蕩電路還必須具有選頻作用，具有這種特性的電路稱選頻電路。多頻率的信號通過選頻電路后，只有某一頻率才滿足振蕩的兩個(gè)基本條件，從而得到單一頻率的正弦波信號。雖然具備了上述兩個(gè)條件的正反饋放大器107

選頻電路可以由R、C元件組成，也可用L、C元件組成，還可以由石英晶體組成。在實(shí)際的振蕩電路中，選頻電路可以作為一個(gè)獨(dú)立的部分，也可以包含在反饋電路中或基本放大器之中?？梢?，從原理上講，一個(gè)自激正弦波振蕩器必須由以下三部分組成：基本放大器、正反饋電路、選頻電路。

選頻電路可以由R、C元件組成，也可用108

在振蕩電路中含有微小的電擾動(dòng)，如接通直流電源的一瞬間所產(chǎn)生的電脈沖及電路的熱噪聲等。由于振蕩電路是一個(gè)閉合的正反饋系統(tǒng)，因此電擾動(dòng)最終總要傳送到基本放大器的輸入端，成為最初的輸入電壓。這些電擾動(dòng)一般都包含有豐富的頻率成分，但在選頻電路的作用下，只有某一頻率的分量可以順利的通過，其余頻率成分均被抑制。自激振蕩的建立在振蕩電路中含有微小的電擾動(dòng)，如接通109被選出的頻率分量放大后，經(jīng)反饋電路又回送到基本放大器的輸入端，形成一個(gè)循環(huán)。第一循環(huán)結(jié)束時(shí)第二循環(huán)即開始，如此循環(huán)往復(fù)繼續(xù)下去。如果在每次循環(huán)中，被選頻率分量的反饋電壓與循環(huán)開始時(shí)的輸入電壓相比較，不僅相位相同，而且振幅也增大，那么經(jīng)過上述放大-正反饋-再放大-再正反饋的循環(huán)過程，被選頻率分量的振蕩將迅速增大，這樣自激振蕩就建立起來了。被選出的頻率分量放大后，經(jīng)反饋電路又110

上述的振蕩信號會不會無止境地增長下去呢？實(shí)際上是不會的，因?yàn)殡S著振蕩的增長，反饋信號愈來愈大，必將導(dǎo)致晶體三極管進(jìn)入非線性工作狀態(tài)，放大器的放大倍數(shù)反而降低，使信號幅度有減少的趨勢。因此正反饋使整個(gè)電路的振幅不斷增長，而放大器的非線性則使之減小，最后達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定的幅度，從而獲得等幅振蕩。上述的振蕩信號會不會無止境地增長下去111RC正弦波振蕩電路

左圖是運(yùn)算放大器與RC串并聯(lián)選頻電路組成的文氏橋式振蕩器。圖中運(yùn)放的輸出電壓Uo分兩路反饋，一路加于RC串并聯(lián)選頻電路，其輸出端A與運(yùn)放的同相端(+)連接；另一路經(jīng)電阻R3、R4分壓，反饋到運(yùn)放的反相端(-)。這種電路相當(dāng)于一個(gè)電橋，其中串聯(lián)RC、并聯(lián)RC、R3、R4為四個(gè)橋臂，A、B為電橋的兩個(gè)輸出端點(diǎn)，運(yùn)放的輸出電壓Uo為電橋的電源，故這種電路稱為RC橋式振蕩器。RC正弦波振蕩電路左圖是運(yùn)算放大器與RC串并聯(lián)選頻112

在本電路中，R1、C1、R2、C2構(gòu)成選頻電路。當(dāng)f=f0=1/2RC時(shí)，RC電路構(gòu)成一個(gè)正反饋支路，滿足振蕩的相位條件。這時(shí)RC選頻電路的反饋系數(shù)最大，為1/3。因此，要維持振蕩就要求運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)大于3。R3、R4構(gòu)成負(fù)反饋回路，適當(dāng)調(diào)節(jié)R3、R4的值，使運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)大于3，就可以維持振蕩。在本電路中，R1、C1、R2、C2構(gòu)成113

為了獲得不失真的正弦波及幅度穩(wěn)定的輸出，圖中負(fù)反饋支路的R3采用熱敏電阻，它是一種負(fù)溫度系數(shù)的元件，阻值隨溫度的升高而變小。當(dāng)振蕩器輸出幅度增加時(shí)，通過R3的電流必然增大，熱敏電阻的功耗增加，溫度升高，R3的阻值降低，負(fù)反饋增強(qiáng)，運(yùn)放的放大倍數(shù)A降低，振蕩減弱。從而限制了輸出幅度的上升。反之，如果輸出電壓幅度減小，則熱敏電阻的功耗降低，溫度降低，R3的阻值增大，負(fù)反饋減弱，放大倍數(shù)上升，限制了輸出幅度的下降。可見，R3用熱敏電阻可起到自動(dòng)穩(wěn)定振蕩幅度的作用。