共模抑制比課件

第三章信號(hào)處理

生物信號(hào)屬低頻微弱信號(hào)

信號(hào)處理主要包括：信號(hào)放大、濾波、信號(hào)隔離

本章重點(diǎn)：前置放大級(jí)的設(shè)計(jì)第一節(jié)生物電放大器前置級(jí)原理一、基本要求1、高輸入阻抗2、高共模抑制比3、低噪聲、低漂移4、設(shè)置保護(hù)電路第三章信號(hào)處理

生物信號(hào)屬低頻微弱信號(hào)

信號(hào)處理主要包括1（一）高輸入阻抗

輸入阻抗不高——信號(hào)衰減、失真

電極面積——影響電流密度、電極阻抗

（一）高輸入阻抗

輸入阻抗不高——信號(hào)衰減、失真

電極面積2設(shè)：差模增益為Ad，輸出電壓為Uo，得：設(shè)Zs1=Zs2=Zs，且Zs<<Zi，令A(yù)d’=Uo/Us（對(duì)信號(hào)Us的電壓增益）討論：Zs從2k

——150k

變1.Zi=1M，2.Zi=5M

，輸入阻抗越高越穩(wěn)定設(shè)：差模增益為Ad，輸出電壓為Uo，得：設(shè)Zs1=Zs23電極

放大器名稱參數(shù)名稱

ECG-AmpEEG-AmpVEP-AmpEMG-Amp

輸入阻抗

>1M

>5M

>200M

>100M輸入端短路噪聲（p-p）

≤10

V≤3V≤0.7V≤8V共模抑制比

≥60dB≥80dB≥100dB≥80dB頻帶

0.05-250Hz0.5-70Hz0.5Hz-3kHz2Hz-10kHz

板電極片狀或針電極

電極放大器名稱

輸入阻抗>1M4（二）高共模抑制比UCM為共模干擾電壓，放大器輸入端A、B兩點(diǎn)的電壓分別為：則共模電壓轉(zhuǎn)化為差模電壓UA-UB通常，則：

則共模電壓轉(zhuǎn)化為差模電壓UA-UB通常5（三）低噪聲低漂移措施：差動(dòng)輸入形式電路對(duì)稱結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格挑選器件采用調(diào)制式直流放大器設(shè)置“復(fù)零”電路，將基線在特殊情況下復(fù)零（三）低噪聲低漂移措施：6（四）設(shè)置保護(hù)電路人體安全保護(hù)電路放大器輸入保護(hù)電路校準(zhǔn)電路（四）設(shè)置保護(hù)電路人體安全保護(hù)電路7二、差動(dòng)放大電路分析方法分析參數(shù)：共模抑制能力和輸入阻抗二、差動(dòng)放大電路分析方法分析參數(shù)：共模抑制能力和輸入阻抗8共模抑制比課件9兩輸入端信號(hào)ui1和ui2由共模電壓uic和差模信號(hào)uid組成：

理想運(yùn)放：（1）輸入阻抗很高，同相、反相輸入端電流小到可忽略I+=I-=0；（2）Av很高，輸出電壓有限，U+=U-所以：

兩輸入端信號(hào)ui1和ui2由共模電壓uic和差模信號(hào)uid組10

Uoc、uod的數(shù)值均由外回路電阻決定，若：共模輸入uic完全被抑制，不產(chǎn)生共模誤差。Uoc、uod的數(shù)值均由外回路電阻決定，若：共模11電阻的匹配條件為：

R1=R2，RF=R3

結(jié)論：共模增益Ac1=0，放大器的CMRR=∞

實(shí)際情況：（1）CMRR不可能∞；CMRRD

（2）電阻精度，CMRRR

電阻的匹配條件為：結(jié)論：共模增益Ac1=0，放大器的CMR12影響差動(dòng)放大器共模抑制能力的因素1、由電阻失配所造成的CMRRR影響差動(dòng)放大器共模抑制能力的因素1、由電阻失配所造成的CMR133、器件本身共模抑制比CMRRD對(duì)總共模抑制比CMRR影響

2、由定義可知，CMRRD即開(kāi)環(huán)差動(dòng)增益Ad’與共模增益Ac’之比：

3、器件本身共模抑制比CMRRD對(duì)總共模抑制比CMRR影響14結(jié)論：（1）在同時(shí)考慮電阻失配和器件本身的CMRRD的影響時(shí)，放大器總的CMRR將進(jìn)一步下降；（2）差動(dòng)放大器的共模抑制能力受到放大電路閉環(huán)增益、外電路電阻匹配精度以及放大器本身共模抑制比等因素影響。結(jié)論：153、差動(dòng)放大器的輸入阻抗

ri=2R1綜上分析：

基本差動(dòng)放大器這一電路形式不能滿足生物電放大器前置級(jí)高輸入阻抗要求的解決辦法：（1）把差動(dòng)輸入信號(hào)都從同相端輸入，大大提高輸入阻抗（可高達(dá)10M

以上）。（2）在差動(dòng)放大電路前面增加緩沖級(jí)（同相電壓跟隨器），實(shí)現(xiàn)阻抗變換。

3、差動(dòng)放大器的輸入阻抗解決辦法：16例題差動(dòng)放大器電路所用的IC器件的共模抑制比CMRRD=100dB，放大電路閉環(huán)差動(dòng)增益Ad=20，電阻誤差δ=±0.1%，求放大器的總共模抑制比。當(dāng)Ad=1時(shí)，放大器的總共模抑制比又是多少？

放大器的總共模抑制比：

比IC器件的共模抑制比小26dB。而當(dāng)Ad＝1時(shí)，放大電路的共模抑制比進(jìn)而下降為53.9dB。

例題差動(dòng)放大器電路所用的IC器件的共模抑制比CMRRD=1017三、差動(dòng)放大器應(yīng)用電路

（一）同相并聯(lián)結(jié)構(gòu)的前置放大電路

三、差動(dòng)放大器應(yīng)用電路

（一）同相并聯(lián)結(jié)構(gòu)的前置放大電路18共模抑制比課件19共模抑制比課件20共模抑制比課件21第一級(jí)共模抑制比CMRR12,則：第一級(jí)共模抑制比CMRR12,則：22結(jié)論:1、第一級(jí)放大電路的共模抑制比能力取決于運(yùn)放器件A1、A2本身共模抑制比的差異。2、為消除因CMRR1、CMRR2不為無(wú)窮大而造成A1、A2輸出端有與輸入端相同的共模電壓，故應(yīng)在A1、A2輸出端接一級(jí)差動(dòng)放大，以消除共模電壓在電路中的傳遞。結(jié)論:23共模抑制比課件24共模抑制比課件25共模抑制比課件26兩級(jí)放大電路總共模抑制比：在嚴(yán)格挑選A1、A2，使CMRR1、CMRR2嚴(yán)格對(duì)稱時(shí)則：CMRR12>>Ad1

CMRR3

有：CMRR

Ad1

CMRR3

兩級(jí)放大電路總共模抑制比：27結(jié)論:

同相并聯(lián)差動(dòng)放大器總共模抑制比主要取決于第一級(jí)的差動(dòng)增益及第二級(jí)的共模抑制能力結(jié)論:28例3-1：

如圖所示為同相并聯(lián)結(jié)構(gòu)的ECG前置級(jí)實(shí)用電路，所用器件的共模抑制比均為100dB。輸入回路中兩電極阻抗分別為20k

、23k

。放大器輸入阻抗實(shí)際有80M

。放大器中所用電阻的精度

=0.1％，其他參數(shù)如圖所示。求包括電極系統(tǒng)在內(nèi)的放大電路的總共模抑制比。例3-1：如圖所示為同相并聯(lián)結(jié)構(gòu)的ECG前置級(jí)實(shí)用29共模抑制比課件30同相并聯(lián)差動(dòng)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(guò)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(guò)0．5dB）和高共模抑制比參數(shù)的A3（通常大于100dB）。同相并聯(lián)差動(dòng)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：(31(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。通常用精密電橋選擇高精度、高穩(wěn)定性電阻，確定R1，再由Ad2的設(shè)計(jì)值確定RF(下支路的RF選電位器)。(2)在影響共模抑制能力的諸因素中，第二級(jí)差32(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

值取得較高一些，是有利于總的共模抑制能力的提高的。(3)前置級(jí)增益以及組成前置級(jí)的兩級(jí)放大電路33（二）同相串聯(lián)結(jié)構(gòu)的前置放大電路

特點(diǎn)：少用－個(gè)運(yùn)放。差動(dòng)信號(hào)均由同相端進(jìn)入，A1的輸出uo1和ui2一起送入，從A2獲得單端輸出，故稱串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

可見(jiàn)，共模抑制能力的提高，取決于器件A1、A2本身的共摸抑制比是否相等，并且受外回路電阻的匹配精度的影響。前者易實(shí)現(xiàn)，故放大電路的CMRR取決于電阻的匹配精度。（二）同相串聯(lián)結(jié)構(gòu)的前置放大電路34緩沖級(jí)與差動(dòng)放大器構(gòu)成的前置級(jí)

提高放大電路的共模抑制能力的措施仍然是使A1、A2的共模抑制比相等，并盡可能提高差動(dòng)級(jí)的電阻匹配精度。

緩沖級(jí)與差動(dòng)放大器構(gòu)成的前置級(jí)提高放大電路的共模抑35（三）由專用儀器放大器構(gòu)成的前置放大器AD620為一個(gè)低成本、低功耗、高精度的單片儀器放大器。AD620的性能比傳統(tǒng)的三運(yùn)算放大器優(yōu)越。特點(diǎn)：1.只用一個(gè)外部電阻就能設(shè)置放大倍數(shù)為1～1000；2.電源范圍寬(±2.3～±18V)；3.體積??；4.功耗非常低(最大供電電流僅1.3mA)；適用于低電壓、低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合。AD620外形圖（三）由專用儀器放大器構(gòu)成的前置放大器AD620為一個(gè)低成本36AD620內(nèi)部原理圖

為保證增益控制的高精度，輸入端三極管用差分雙極輸入；用超β工藝獲得更低的輸入偏置電流；通過(guò)輸入級(jí)內(nèi)部Q1-A1-R1和Q2-A2-R2反饋環(huán)路,保持輸入三極管的集電極電流恒定，所以輸入電壓相當(dāng)于加到外部增益控制電阻RG兩端上；兩個(gè)內(nèi)部增益電阻R1、R2精確定為24.7kΩ。

AD620內(nèi)部原理圖為保證增益控制的高精度，輸37增益：外部控制電阻值為：由增益：外部控制電阻值為：由38主要技術(shù)參數(shù)：1.輸入阻抗（inputimpedance）；2.共模抑制比（commonmoderejectionratio，CMRR）；3.偏置電流(biascurrent)；4.輸入失調(diào)電壓(inputoffsetvoltage)；5.輸入噪聲（inputnoise）。主要技術(shù)參數(shù)：39（1）輸入阻抗室溫25℃時(shí)的差模輸入阻抗。動(dòng)態(tài)情況下，兩個(gè)輸入端間有并聯(lián)的電容值。該參數(shù)為10GΩ//2PF。（2）共模抑制比（CMRR）通常取平均值，溫度變化有差異。通常指低頻條件。若頻率增高，CMRR值有所減小。在放大增益不同，CMRR值也不同。

（1）輸入阻抗40（3）偏置電流（biascurrent）兩輸入端到地有一個(gè)小的偏置電流（直流），AD620該參數(shù)為0.5nA，最大為2nA。（4）輸入失調(diào)電壓（inputoffsetvoltage）一般兩個(gè)輸入端電壓差為零（兩輸入端短接地）時(shí)，其輸出都不為零。如果在任意一個(gè)輸入端加上一個(gè)大小和方向合適的直流電壓，便可人為地使輸出為零，這個(gè)外加的直流電壓即運(yùn)放的失調(diào)電壓。AD620的最大值可達(dá)125μV。（5）輸入噪聲輸入噪聲分電壓噪聲和電流噪聲。低頻范圍（生理信號(hào)）的1/f噪聲，會(huì)引起運(yùn)放工作點(diǎn)漂移；電阻、半導(dǎo)體結(jié)間噪聲受溫度、頻率影響。頻率1kHz時(shí)輸入電壓噪聲為9；0.1～10Hz頻段輸入電流噪聲為10PAp－p

（3）偏置電流（biascurrent）41（四）AD620構(gòu)成的常用生理參數(shù)前置放大電路

常用于傳感器接口、心電圖監(jiān)測(cè)儀、精密電壓電流轉(zhuǎn)換1.壓力傳感器電路

高電阻值,低電源電、體積小、低功耗壓力傳感器電路壓力檢測(cè)電路

3kΩ、+5V供電的壓力傳感器電橋；電橋功耗僅1.7mA,AD620和AD705緩沖電壓驅(qū)動(dòng)器對(duì)信號(hào)調(diào)節(jié),使總供電電流僅為3.8mA；電路產(chǎn)生的噪聲和漂移極低。（四）AD620構(gòu)成的常用生理參數(shù)前置放大電路壓力檢測(cè)電路42四、前置級(jí)共模抑制能力的提高方法：1.正確設(shè)計(jì)電路參數(shù)；2.改進(jìn)電路。

（一）屏蔽驅(qū)動(dòng)ECG導(dǎo)聯(lián)引線芯線和電纜屏蔽層（接地時(shí)），對(duì)放大器輸入端的分布電容為C1，C2。C1，C2不等，電極阻抗RS不平衡，則Rs1C1

Rs2C2,使共模電壓不等量衰減，放大器CMRR下降。四、前置級(jí)共模抑制能力的提高43問(wèn)題：輸入端的共模電壓產(chǎn)生共模誤差輸出。

解決思路：使屏蔽層電容不起衰減作用。辦法：導(dǎo)聯(lián)線的屏蔽層不接地，接到與共模輸入信號(hào)等電位點(diǎn)上，共模電壓不衰減地送到差動(dòng)放大器輸入端，不會(huì)產(chǎn)生共模量不等量衰減形成共模誤差。問(wèn)題：輸入端的共模電壓產(chǎn)生共模誤差輸出。解44（1）取放大電路的共模電壓驅(qū)動(dòng)屏蔽層，使分布電容C1、C2的端電壓保持不變。（2）A1、A2構(gòu)成緩沖級(jí)，其輸出分別為：

電阻網(wǎng)絡(luò)R-R接A1、A2的輸出端，在網(wǎng)絡(luò)的中點(diǎn)取出A1、A2輸出電壓的平均值Uic，經(jīng)緩沖放大器A3驅(qū)動(dòng)屏蔽層，消除由C1、C2引起的不均衡衰減。、屏蔽驅(qū)動(dòng)電路（1）取放大電路的共模電壓驅(qū)動(dòng)屏蔽層，使分布電容C1、C2的45實(shí)際應(yīng)用電路(三)右腿驅(qū)動(dòng)技術(shù)

右腿不直接接地，接到A3的輸出。從兩Ra結(jié)點(diǎn)取共模電壓，經(jīng)A3放大后通過(guò)R0電阻反饋到右腿。人體的位移電流這時(shí)不再流入地，而是流向R0和A3的輸出。當(dāng)病人和地之間出現(xiàn)很高電壓時(shí)，A3飽和，右腿驅(qū)動(dòng)電路不起作用，A3等效于接地，R0起限流保護(hù)，安全保護(hù)。實(shí)際應(yīng)用電路46A3不飽和時(shí)的共模電壓。反相端輸入為：討論：（1）要小，可增大2RF/Ra（2）Vcm大時(shí)，R0必須起保護(hù)作用，其值較大。故A3要求能在微電流下工作，則RF可選較大值。例：如果選RF=R0＝5MΩ，Ra典型值為25kΩ，則等效電阻為12.5kΩ。若位移電流=0.2μA，則：A3不飽和時(shí)的共模電壓。反相端輸入為：討論：例：如果選RF=47由AD620構(gòu)成的實(shí)際心電監(jiān)測(cè)電路共模抑制比課件48第二節(jié)隔離級(jí)設(shè)計(jì)為了人體安全的目的，通常生物電信號(hào)測(cè)量技術(shù)采用浮地形式，以便實(shí)現(xiàn)人體與電氣上的隔離。

第二節(jié)隔離級(jí)設(shè)計(jì)為了人體安全的目的，通49浮地概念所謂浮地（或浮置），即信號(hào)在傳遞的過(guò)程中，不是利用一個(gè)公共的接地點(diǎn)逐級(jí)地往下面?zhèn)魉停ㄈ缱枞蓠詈稀⒅苯玉詈系龋抢弥T如電磁耦合或光電耦合等隔離技術(shù)，信號(hào)從浮地部分傳遞到接地部分，兩部分之間沒(méi)有電路上的直接聯(lián)系。

浮地概念所謂浮地（或浮置），即信號(hào)在傳遞的過(guò)程中，不是利用一50一、光電耦合光電二極管耦合光電晶體管耦合

一、光電耦合光電二極管耦合51光電晶體管轉(zhuǎn)移特性用于模擬信號(hào)的耦合轉(zhuǎn)換，要求光電耦合器有很好的線性特性光電晶體管轉(zhuǎn)移特性用于模擬信號(hào)的耦合轉(zhuǎn)換，要求光電耦合器有很52ECG-6511前置放大光電耦合級(jí)電路

發(fā)光二極管DA有電流通過(guò)發(fā)光時(shí)，DB、DC中產(chǎn)生反向電流

ECG-6511前置放大光電耦合級(jí)電路發(fā)光二極管DA有電流53A1為耦合驅(qū)動(dòng)級(jí)，在輸入信號(hào)為零的初始狀態(tài)，Ii＝0，A點(diǎn)為虛地點(diǎn)，B點(diǎn)呈負(fù)電位，有：靜態(tài)：47k

上的電流I恒定，從A點(diǎn)流出，電容C以IC充電，C點(diǎn)電位升高，VA導(dǎo)通，產(chǎn)生IDA，發(fā)光二極管DA發(fā)光，光電池DB產(chǎn)生反向電流IDB流入A點(diǎn)，當(dāng)IDB＝I時(shí)，電容C的充電電流為0，C點(diǎn)電位恒定，發(fā)光二極管DA和光電池DB中的電流達(dá)一穩(wěn)定值IDA0、IDB0；

同理，IDA0使IDC0有IDC0=I，調(diào)整50k電位器，使U0確定靜態(tài)值。A1為耦合驅(qū)動(dòng)級(jí)，在輸入信號(hào)為零的初始狀態(tài)，Ii＝0，A點(diǎn)54動(dòng)態(tài)：輸入U(xiǎn)i＞0，有Ii注入A點(diǎn)，致Uc下降，使IDA減小，DA光強(qiáng)變?nèi)?，繼而減低。當(dāng)，Ic＝0（C反向充電結(jié)束）。此時(shí)：輸出為：

輸入為：

光電耦合電壓轉(zhuǎn)換比率為：

結(jié)論：轉(zhuǎn)移過(guò)程的線性度取決于光電器件DA、DB、DC的特性，尤其是DB和DC的對(duì)稱性。為了提高線性度，DB和DC的偏置電路參數(shù)也應(yīng)保持對(duì)稱。動(dòng)態(tài)：當(dāng)，Ic＝0（C反55互補(bǔ)方式光電耦合電路

優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)選擇芯片的對(duì)稱性，提高電路的線性度?；パa(bǔ)方式光電耦合電路優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)選擇芯片的對(duì)稱性，提高電路的56光電晶體管耦合器T117，兩個(gè)光電耦合器PH1和PH2對(duì)稱性好，電流轉(zhuǎn)移系數(shù)分別是

1和2。運(yùn)放A1、A2工作在線性狀態(tài)。A1通過(guò)PH1形成負(fù)反饋。靜態(tài)時(shí)：Ii＝I1，電容C中的電流為0，當(dāng)信號(hào)ui到達(dá)平衡時(shí)：耦合輸出級(jí)A2有：輸出：

由于

1=2，所以：

R3和C改善電路的穩(wěn)定性和頻率特性HP1工作速度遠(yuǎn)低于A1，A1進(jìn)入工作的瞬間，由HP1形成的負(fù)反饋環(huán)路是斷開(kāi)的，來(lái)不及建立負(fù)反饋，使A1輸出電壓過(guò)沖。引入R3后，反饋系數(shù)變小，增加電路的穩(wěn)定性。電容C為A1提供快速反饋環(huán)節(jié)。RF/Ri為電壓轉(zhuǎn)換率光電晶體管耦合器T117，兩個(gè)光電耦合器PH1和PH2對(duì)57數(shù)字信號(hào)的光電耦合A／D轉(zhuǎn)換后，對(duì)每一位數(shù)字信號(hào)分別用一個(gè)光電耦合器件。單級(jí)耦合電路數(shù)字信號(hào)光電耦合

單級(jí)光電耦合

浮地電源通過(guò)R為發(fā)光二極管提供靜態(tài)工作電流，使之工作在線性區(qū)。光電三極管中的信號(hào)電流經(jīng)RL送入A2。耦合級(jí)工作速度：由RL與耦合器結(jié)電容的時(shí)間常數(shù)

p決定。數(shù)字信號(hào)的光電耦合數(shù)字信號(hào)光電耦合單級(jí)光電耦合浮地電源通58內(nèi)部帶有光電隔離的儀用放大器

用匹配的光敏二極管CR3和CR2，大大減小非線性和時(shí)間-溫度的漂移。運(yùn)放A1，發(fā)光二極管CR1和光敏二極管CR3形成負(fù)反饋，使I1=IIN。因CR2和CR3嚴(yán)格匹配，從CR1接受的光強(qiáng)相等，I2=I1=IINA2完成電流-電壓轉(zhuǎn)換，VOUT=I2Rk總的傳輸函數(shù)為：內(nèi)部帶有光電隔離的儀用放大器用匹配的光敏二極管CR3和CR59集成光電隔離儀用放大器在生理參數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用

電源采用DC/DC隔離隔離耐壓值：3kV表示放大器每個(gè)輸入端和輸入地之間應(yīng)能經(jīng)受幅度3kV、寬度10ms脈沖電壓的測(cè)試；兩個(gè)輸入端之間能經(jīng)受幅度6kV、寬度10