第三章-信號放大與處理-3

生物醫(yī)學電子學生物醫(yī)學電子學第三章生理參數測量與處理

BiomedicalElectronics第一節(jié)生理參數測量放大器第二節(jié)模擬濾波器設計生物醫(yī)學電子學3.1.3光隔離放大器

為了保證人體絕對安全，通常的生物電信號測量用浮地形式，實現人體與電氣上的隔離。

浮地(或浮置)：信號在傳遞的過程中，不是利用一個公共的接地點逐級往下傳送，如阻容耦合、直接耦合，而是利用電磁耦合或光電耦合等隔離技術，信號從浮地部分傳送到接地部分，兩部分之間沒有電路上的直接聯系，通過地線構成的漏電流完全被抑制。不但保障了人體的絕對安全，而且消除了地線的干擾電流。浮地為浮地部分電路的等電位點，符號和接地部分的地符號是不同的。浮置部分由浮置電源供電，接地部分由工頻市電供電，構成兩個獨立的供電系統(tǒng)。生物醫(yī)學電子學電氣隔離設計有兩種方案：1、通過電磁耦合，經變壓器傳遞信號。2、通過光電耦合，用光電器件傳遞信號，光電耦合采用最多的方案，具有廣闊的發(fā)展前途。光電耦合器件具有重量輕、應用電路結構簡單、成本低廉等突出的優(yōu)點。它具有良好的線性和一定的轉換速度，既可以作為模擬信號的轉換也可以作為數字信號的轉換。能實現與TTL電路的兼容性設計，光電耦合器件可以由TTL集成電路直接驅動，反過來也可以直接驅動TTL集成電路，接口電路簡單、方便。一、光電耦合1、光電耦合的特點生物醫(yī)學電子學由PN結構成的光電耦合器件包含有一個作為發(fā)送輻射部件的發(fā)光二極管和一個作為輻射探測器的光電二極管或光電晶體管(包括達林頓晶體管)，如圖。2、光電耦合器件稱為光電二極管耦合和光電晶體管耦合。光電晶體管按照晶體管的電流增益放大光電二極管的電流，具有0.1-0.5的電流轉移系數。為了提高電流轉移系數，改用達林頓晶體管，構成達林頓光電晶體管，可以獲得1—10的電流轉移系數。生物醫(yī)學電子學3、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，不加補償改進的簡單應用電路的頻率上限100kHz，光電二極管耦合器可以獲得1MHz的工作頻率。4、線性特性

用于模擬信號的耦合轉換，要求光電耦合器具有很好的線性特性，圖為某光電晶體管的轉移特性曲線，虛線表示不加負載的的輸入、輸出電流特性。生物醫(yī)學電子學光電耦合器件種類繁多，不同的光電耦合器件有不同的應用電路。下圖為日本ECG-6511前置放大光電耦合電路。實例1生物醫(yī)學電子學光電耦合器件為光電池二極管耦合器，其中DB和Dc為光電池。光電池短路時其短路電流和光照近似為正比例關系。（1）靜態(tài)工作參數在發(fā)光二極管DA有電流通過而發(fā)光時，DB和Dc中產生反向電流。光電器件是電流控制器件，為了工作在線性動態(tài)范圍，須首先提供合適的靜態(tài)參數。如圖，A1為耦合驅動級，輸入信導為零的初始狀態(tài)，Ii=0，A點為虛地點，B點呈負電位，流過47k上的I為一恒定電流，從A點流出，電容C以Ic充電，使C點電位升高，導致三極管TA導通，產生IDA，發(fā)光二極管DA發(fā)光。光電池DB受光照后，產生反向電流IDB流入A點，當IDB=

IDB時，電容C的充電電流為0，C點電位保持恒定，發(fā)光二極管DA和光電池DB的電流達到一穩(wěn)定值IDA0、IDB0

，即光電器件的靜態(tài)值。同時，IDA0導致IDC0=I，調整50k電位器，使U0=0，靜態(tài)工作參數被確定。生物醫(yī)學電子學（2）當有傳輸信號時，假設輸入Ui＞0，則有Ii流入A，使Uc下降，IDA減小，發(fā)光二極管發(fā)光強度變弱，IDB減小。當△Ii=│△IDB│時，Ic=0(電容C的反充電電流)，達到某一動態(tài)的平衡穩(wěn)定狀態(tài)。同時，│△IDC│=│△IDB│=△Ii，耦合輸出級的輸出為所以通過光電耦合的電壓轉換比率為

轉移過程的線性度取決于光電器件DA、DB、DC的特性，尤其是DB、DC的對稱性。為了提高線性度，DB、DC的偏置電路參數也應保持對稱。生物醫(yī)學電子學（3）高頻負反饋網絡電路中A2的負反饋支路1k電阻和0.001μF電容構成高頻負反饋網絡。經過光電耦合后的生物電信號中，由于光的頻譜很寬而增加的大量高頻干擾成分在高頻負反饋網絡作用下可被濾除干凈。（3）過流保護電路晶體管TA和12Ω電阻組成光電耦合器的過流保護電路。當驅動電流過大使12Ω電阻上的壓降超過0.7v時，TB導通，將TA基極電流對地短路，從而使流過發(fā)光二極管DA的電流不超過其額定值。這種電路，具有良好的過流保護作用。上述為一種實用的耦合級電路，但是晶體管TA的非線性增加了整個耦合級的非線性，下面介紹一種更加實用、合理的耦合級電路。生物醫(yī)學電子學利用兩個光電器件特性的對稱性提高耦合級電路的線性度。PH1和PH2是經過嚴格挑選的特性對稱的兩個光電耦合器，運放A1和A2工作在線性狀態(tài)。且A1通過PH1形成負反饋。PH1、PH2的電流轉移系數分別是β1、β2。實例2圖為互補形式的耦合級電路，選用光電晶體管耦合器Tll7。生物醫(yī)學電子學（1）在靜態(tài)時，根據運算放大器的理想特性及電路的結構，Ii=I1，電容C中的電流為0。當信號ui到達平衡時由PH1、PH2特性對稱，對應某確定的ID值，β1=β2

RF／Ri為電路的電壓轉換比率

生物醫(yī)學電子學（2）R3、C很重要，作用是改善電路的穩(wěn)定性和頻率特性。光電耦合器件的工作速度遠遠低于運放器件。在Al進入工作的瞬間，由光電耦合形成的負反饋環(huán)路是斷開的，負反饋過程來不及建立，造成A1輸出端電壓的過沖。在負反饋環(huán)內引入R3，反饋系數變小，從而增加了電路的穩(wěn)定性。電容C的引入，為A1提供了一個快速反饋環(huán)節(jié)。（3）A1組成的浮地部分，通過C和PH1構成兩條反饋。假定PH1具有良好的線性，PH1、PH2均具有β的電流增益。用τp=RpCp表示PHl的時間常數，A1的輸出UA通過R3變?yōu)殡娏?，用變換系數為β/R3

的電壓電流變換表示，則等效電路如圖。生物醫(yī)學電子學對階躍信號的響應分析生物醫(yī)學電子學若例如設C＝0，則如圖(b)中曲線a，呈現階躍響應如圖(b)中曲線b，呈指數上升。適當選擇C、R3、I(t)可使曲線在a、b之間。

生物醫(yī)學電子學R3和C對電路的性能有很大影響，R3C過大，電路的頻帶上限降低；R3C過小，則電路的穩(wěn)定性變差。①靜態(tài)工作電流I1取l-2mA，在動態(tài)范圍，值較大時噪聲明顯增加；②R3滿足互補方式光電耦合電路的參數設計④C通常取1500pF左右⑤RF由Ri和電壓轉換比確定互補光電耦合電路的頻帶平坦區(qū)可達0-40kHz，滿足生物電信號模擬量耦合的要求。線性度可達到0.1％以上。式中UD為發(fā)光二極管導通電壓；在最大輸入信號下，R3的值應符合A1的動態(tài)范圍。③生物醫(yī)學電子學3.1.4橋路放大器橋路放大器是生物檢測裝置中的一種常見電路。光、聲、熱等非電量通過電阻式傳感器變換成電阻量，然后通過電阻電橋變換成相應電壓信號輸出，再經前置放大器將信號放大。

基本電橋放大器如圖,其中R(1+δ)為傳感元件。1)當δ=0時，電橋處于平衡狀態(tài)，Vo=0。2）當δ≠0時，當物理量變化導致電阻R變化(δ=△R/R為電阻變化的相對值)，電橋失去平衡，Vo≠0。生物醫(yī)學電子學輸出電壓與待測量之間存在非線性關系。生物醫(yī)學電子學若δ＜＜1，考慮到忽略二次以上的高階無窮小，輸出簡化為當δ>0.1～0.2時，v。與δ之間有較大的非線性關系。當δ變化范圍較大時，需采用非線性校正措施。1、將輸出電壓反饋到電橋電源，使固定的電橋電源電壓變?yōu)閹в蟹答伒墓╇婋娫矗_到線性化目的。生物醫(yī)學電子學移項，整理令則即v0與δ為線性關系，電路見下圖生物醫(yī)學電子學該電路允許δ變化范圍可達±100%，輸出電壓v0與δ為線性關系。生物醫(yī)學電子學2、運算法是實現非線性校正的另一種方法，從數學模型找出非線性校正電路的模擬運算式，然后用運算電路來實現?；舅枷耄簭臋z測裝置的非線性函數式v0=f（δ）寫出其反函數δ=f-1（v0），代入線性運算表達式vL=kδ，便可獲得校正電路運算式vL=kf-1（v0）