1、1u生物信號(hào)基本特征生物信號(hào)基本特征u生物電前置放大器工作原理生物電前置放大器工作原理u隔離級(jí)設(shè)計(jì)隔離級(jí)設(shè)計(jì)第二章 生物電前置放大器2u1.1 生物信號(hào)基本特征生物信號(hào)基本特征第二章 生物電前置放大器非電信號(hào)：體溫、血壓、肺活量電信號(hào)被動(dòng)電信號(hào)主動(dòng)電信號(hào)生命信號(hào)生命信號(hào)物理信息生物電人體有機(jī)物發(fā)生變化時(shí)給出的信息?；瘜W(xué)信息人體各器官運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的信息。3l什么是生物電？什么是生物電？l活的細(xì)胞或組織，不論是安靜狀態(tài)還是活動(dòng)狀態(tài)，活的細(xì)胞或組織，不論是安靜狀態(tài)還是活動(dòng)狀態(tài)，都伴有電位差的存在，即有電現(xiàn)象，稱生物電。都伴有電位差的存在，即有電現(xiàn)象，稱生物電。l生物信號(hào)分類生物信號(hào)分類l電信號(hào)：人體內(nèi)

2、各種神經(jīng)細(xì)胞自發(fā)或在各種刺激下電信號(hào)：人體內(nèi)各種神經(jīng)細(xì)胞自發(fā)或在各種刺激下產(chǎn)生和傳遞的信號(hào)。產(chǎn)生和傳遞的信號(hào)。l靜息電位靜息電位(resting potential . RP)(resting potential . RP)l動(dòng)作電位動(dòng)作電位(action potential. AP)(action potential. AP)l非電信號(hào)：體溫、血壓非電信號(hào)：體溫、血壓1.1 生物信號(hào)基本特征4l生物信號(hào)基本特征生物信號(hào)基本特征l信號(hào)弱信號(hào)弱l頻率低頻率低l噪聲強(qiáng)噪聲強(qiáng)l隨機(jī)性強(qiáng)隨機(jī)性強(qiáng)l 生物電信號(hào)源阻抗高生物電信號(hào)源阻抗高1.1 生物信號(hào)基本特征5l1 1、信號(hào)弱信號(hào)弱l通常生物電信號(hào)的幅

3、度較低，只有毫伏級(jí)甚至微伏通常生物電信號(hào)的幅度較低，只有毫伏級(jí)甚至微伏級(jí)。級(jí)。l胎兒心電信號(hào)僅為1050V；l自發(fā)腦電信號(hào)約5150V，l體表心電信號(hào)相對(duì)較大，最大可達(dá)5mV。 提取生物信號(hào)，必需經(jīng)過一定的放大處理。提取生物信號(hào)，必需經(jīng)過一定的放大處理。1.1 生物信號(hào)基本特征6l2 2、頻率低頻率低l生物電信號(hào)頻率主要在低頻和超低頻范圍內(nèi)，且頻帶生物電信號(hào)頻率主要在低頻和超低頻范圍內(nèi)，且頻帶較寬。較寬。 l除心音信號(hào)頻譜成分較高外，其它電生理信號(hào)的頻譜一般較低。l如心電的頻譜為0.0135Hz，l腦電的頻譜分布在l30Hz之間。獲取、放大、處理時(shí)要充分考慮對(duì)信號(hào)的頻率響應(yīng)特性。1.1 生物信

4、號(hào)基本特征7l3 3、噪聲強(qiáng)噪聲強(qiáng)l噪聲是指其它信號(hào)對(duì)所研究對(duì)象信號(hào)的干擾。l如電生理信號(hào)總是伴隨著由于肢體動(dòng)作、精神緊張等帶來的干擾，而且?；煊休^強(qiáng)的工頻干擾；l誘發(fā)腦電信號(hào)中總是伴隨著較強(qiáng)的自發(fā)腦電；從母腹取到的胎兒心電信號(hào)常被較強(qiáng)的母親心電所淹沒。l交流電、電子元器件噪聲干擾。 要求采用一系列的有效的去除噪聲的算法。1.1 生物信號(hào)基本特征8l4 4、隨機(jī)性強(qiáng)隨機(jī)性強(qiáng)l 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)一般不能用確定的數(shù)學(xué)函數(shù)來描述。l 借助統(tǒng)計(jì)處理技術(shù)來檢測(cè)、辨識(shí)隨機(jī)信號(hào)和估計(jì)它的特征。l 它是非平穩(wěn)的，即信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征（如均值、方差等）隨時(shí)間的變化而改變。 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理帶來了困難。l生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處

5、理方法l 變化緩慢的，分段平穩(wěn)的準(zhǔn)平穩(wěn)信號(hào)來處理；l 周期重復(fù)節(jié)律性信號(hào)，周期平穩(wěn)的重復(fù)性信號(hào)來處理。l 一般采用自適應(yīng)處理技術(shù)，使處理的參數(shù)自動(dòng)跟隨信號(hào)的非平穩(wěn)性而改變。1.1 生物信號(hào)基本特征9l5 5、生物電信號(hào)源阻抗高生物電信號(hào)源阻抗高l生物醫(yī)學(xué)信號(hào)源內(nèi)阻幾十k幾百k。 信號(hào)處理需考慮輸入阻抗。l生物電信號(hào)放大器基本參數(shù)l頻率響應(yīng)l噪聲水平l輸入阻抗1.1 生物信號(hào)基本特征10l一、前置放大器基本要求一、前置放大器基本要求l高輸入阻抗高輸入阻抗l高共模抑制比高共模抑制比l低噪聲低漂移低噪聲低漂移l設(shè)置保護(hù)電路設(shè)置保護(hù)電路 放大器的核心是前置放大放大器的核心是前置放大1.2 生物電前置放

6、大器工作原理11US=生物信號(hào)電壓RT1,RT2=人體電阻，幾十幾百歐姆Rs1,Rs2=電極與皮膚的接觸電阻，幾K150KE1,E2=電極極化電壓，幾十幾百毫伏RL1,RL2=信號(hào)線和放大器輸入保護(hù)電阻，30KRi=放大器輸入電阻C1,C2=信號(hào)線對(duì)地電容，數(shù)十皮法1.2 生物電前置放大器工作原理l高輸入阻抗高輸入阻抗12l高輸入阻抗高輸入阻抗1.2 生物電前置放大器工作原理) 12(1111111111-+=LLLSTLSSSTSRRRRCRjRRZw)22(1222222222-+=LLLSTLSSSTSRRRRCRjRRZw131.2 生物電前置放大器工作原理)32(22 ，輸出電壓 放

7、大器差模增益為21-+=LLdiSSisoodAZZZZUUUA)42(:21-+=LLissCMBAssiZZZUUUZZZ壓共模電壓轉(zhuǎn)化為差模電16l 低噪聲低漂移l 措施：措施：l 差動(dòng)輸入形式差動(dòng)輸入形式l 電路對(duì)稱結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格挑選器件電路對(duì)稱結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格挑選器件l 采用調(diào)制式直流放大器采用調(diào)制式直流放大器l 設(shè)置設(shè)置“復(fù)零復(fù)零”電路，將基線在特殊情況下電路，將基線在特殊情況下復(fù)零復(fù)零1.2 生物電前置放大器工作原理171.2 生物電前置放大器工作原理l設(shè)置保護(hù)電路設(shè)置保護(hù)電路l放大器輸入保護(hù)放大器輸入保護(hù)(保護(hù)電路本身保護(hù)電路本身)l人體安全保護(hù)：輸入端的電流電壓必須在安全水平；人體安全

8、保護(hù)：輸入端的電流電壓必須在安全水平；l校準(zhǔn)電路：校準(zhǔn)電路：la).檢驗(yàn)儀器工作情況；檢驗(yàn)儀器工作情況；lb).校準(zhǔn)儀器指示值。校準(zhǔn)儀器指示值。 18二二 差動(dòng)放大電路分析方法差動(dòng)放大電路分析方法l 生物放大器的前置級(jí)，都采用差動(dòng)放大電路結(jié)構(gòu)。分析參數(shù)：共模抑制能力和輸入阻抗分析參數(shù)：共模抑制能力和輸入阻抗1.2 生物電前置放大器工作原理19RFR1R2R3+-+-+uid/2uid/2uouic+-ui1ui2理想運(yùn)放的條件：虛短、虛斷；理想運(yùn)放的條件：虛短、虛斷； 0;=-+-+IIUU20)(2121iiicuuu+=21iiiduuu-=idu21icui1u+=idiciuuu212

9、-=兩輸入端信號(hào)兩輸入端信號(hào)u ui1i1和和u ui2i2由共模電壓由共模電壓u uicic和差模信號(hào)和差模信號(hào)u uidid組成：組成： 理想運(yùn)放理想運(yùn)放：（1）輸入阻抗很高，同相、反相輸入端電流?。┹斎胱杩购芨撸?、反相輸入端電流小 到可忽略到可忽略I+=I-=0 ；（2） U+=U- 所以：所以： FoiiiRuuRRRRuRRRu-+=+-2323123231211123231)1 (iFiFouRRuRRRRRu-+=2111323113231idFFicFFouRRRRRRRuRRRRRRRu+-+=odocuu+=0113231=-+RRRRRRRFF Uoc、uod的數(shù)值均

10、由外回路電阻決定，若：的數(shù)值均由外回路電阻決定，若：共模輸入共模輸入uic完全被抑制，不產(chǎn)生共模誤差。完全被抑制，不產(chǎn)生共模誤差。22電阻的匹配條件為： R1=R2， RF=R3 121RRUUUUUAFiiodiod=-=結(jié)論：共模增益結(jié)論：共模增益Ac1=0 ，放大器的，放大器的CMRR = 實(shí)際情況：實(shí)際情況：（1） CMRR 不可能不可能 ；CMRRD （2） 電阻精度，電阻精度，CMRRR 23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、由電阻失配所造成的CMRRR41dcdRAAACMRR+=243 3、器件本身共模抑制比、器件本身共模抑制比CMRRCMRRD D對(duì)總共

11、模抑制比對(duì)總共模抑制比CMRRCMRR影響影響RDRDcdCMRRCMRRCMRRCMRRAACMRR+= 2 2、由定義可知，由定義可知，CMRRD即開環(huán)差動(dòng)增益即開環(huán)差動(dòng)增益Ad與共與共模增益模增益Ac之比：之比： cdDAACMRR=25l影響CMRR因素：l放大電路閉環(huán)增益l外電路電阻匹配精度l放大器件本身 1.2 生物電前置放大器工作原理DCMRR26差動(dòng)放大器的輸入阻抗差動(dòng)放大器的輸入阻抗 r ri i=2R=2R1 1綜上分析：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)高輸入阻抗要求的放大器前置級(jí)高輸入阻抗要求的解決辦

12、法：解決辦法：（1 1）把差動(dòng)輸入信號(hào)都從同相端輸入，大大提高輸入）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)阻抗（可高達(dá)10M10M 以上）。以上）。（2 2）在差動(dòng)放大電路前面增加緩沖級(jí)（同相電壓跟隨）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。器），實(shí)現(xiàn)阻抗變換。 1.2 生物電前置放大器工作原理27例題l 差動(dòng)放大器電路所用的差動(dòng)放大器電路所用的ICIC器件的共模抑制比器件的共模抑制比CMRRCMRRD D=100dB=100dB，放大電路閉環(huán)差動(dòng)增益，放大電路閉環(huán)差動(dòng)增益A Ad d=20=20，電阻誤，電阻誤差差=0.1%0.1%，求放大器的總共模

13、抑制比。當(dāng)，求放大器的總共模抑制比。當(dāng)Ad=1Ad=1時(shí)，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又是多少？dBACMRRdR4 .74525041=+=dBCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRRDRD741099. 43+= 放大器的總共模抑制比：放大器的總共模抑制比： 比比ICIC器件的共模抑制比小器件的共模抑制比小26dB26dB。而當(dāng)。而當(dāng)A Ad d1 1 時(shí)，放大電路的共模時(shí)，放大電路的共模抑制比進(jìn)而下降為抑制比進(jìn)而下降為53.9dB53.9dB。 28三、典型差動(dòng)放大應(yīng)用電路三、典型差動(dòng)放大應(yīng)用電路1、同相并聯(lián)結(jié)構(gòu)的前置放大電路1.2 生物電前置放大器工作原理2

14、9 l 得：l 解得l 第一級(jí)電壓增益：FoiwiiFioRuuRuuRuu - -= =- -= = - -111222122)1(iwFiwFouRRuRRu - - + += =121)1(-iwFiwFouRRuRRu + +- - = =)(21(1212iiwFooouuRRuuu- - + += =- -= = wFdRRA + += =211理想運(yùn)放的條件：虛短、虛斷；理想運(yùn)放的條件：虛短、虛斷； 0;=-+-+IIUU輸出電壓與共模電壓無(wú)關(guān)30l 差動(dòng)放大器優(yōu)點(diǎn)第一級(jí)輸出回路里不產(chǎn)生共模電流；無(wú)須考慮外電路電阻匹配；可方便增益調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，有利于克服失調(diào)、 飄移的影響。1.

15、2 生物電前置放大器工作原理31差動(dòng)放大第二級(jí)電路l 兩級(jí)總增益：l 總的共模輸出：l 總的共模增益：l 兩級(jí)總CMRR：l 若：l 則121)21(RRRRAAAFwFddd + += = =2312dicdicocACMRRuACMRRuu+ += =)111(1312ddicoccACMRRCMRRAuuA+ += = =12313121CMRRCMRRACMRRCMRRAAACMRRddcd+=,3112CMRRACMRRd31CMRRACMRRd32l結(jié)論結(jié)論: : 同相并聯(lián)差動(dòng)放大器總共模抑制比主要同相并聯(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)取決于第一級(jí)的差動(dòng)增

16、益及第二級(jí) 的共模抑的共模抑制能力制能力1.2 生物電前置放大器工作原理33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。3435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)(1)器件選擇。確定器件選擇。確定A A1 1、A A2 2共模抑制比嚴(yán)共模抑制比嚴(yán) 格對(duì)稱（通常相差不應(yīng)超過格對(duì)稱（通常相差不應(yīng)超過0 05dB5dB）和高共模抑制）和高共模抑制 比參比參數(shù)

17、的數(shù)的A A3 3（通常大于（通常大于100dB100dB）。）。(2)(2)第二級(jí)差動(dòng)放大電路中電阻的匹配精度。第二級(jí)差動(dòng)放大電路中電阻的匹配精度。(3)(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。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。 A Ad1d1 值取得較高一些，是有利于總的共模抑制能力的提高值取得較高一些，是有利于總的共模抑制能力的提高 的。的。1.2 生物電前置放大器工作原理362、同相串聯(lián)結(jié)構(gòu)的前置放大電路l獲得高輸入阻抗l減少放大器數(shù)量3、專用儀器放大器構(gòu)成前置放大器 如：AD620、INA118l體積小，功耗低；1.2 生物電前置放大器工作原理37 特

18、點(diǎn)：特點(diǎn)： 少用個(gè)運(yùn)放，提高輸入阻抗。少用個(gè)運(yùn)放，提高輸入阻抗。差動(dòng)信號(hào)均由同相端進(jìn)入，差動(dòng)信號(hào)均由同相端進(jìn)入，A A1 1的輸?shù)妮敵龀鰑 uo1o1和和u ui2i2一起送入，從一起送入，從A A2 2獲得單端獲得單端輸出，故稱串聯(lián)結(jié)構(gòu)。輸出，故稱串聯(lián)結(jié)構(gòu)。)(122121CMRRCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRAACMRRRRcd-+= 可見，共模抑制能力的提高，取決于器件可見，共模抑制能力的提高，取決于器件A A1 1、A A2 2本身的共摸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。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)，

19、故放大電路的前者易實(shí)現(xiàn)，故放大電路的CMRRCMRR取決于電阻的匹配精度。取決于電阻的匹配精度。38緩沖級(jí)與差動(dòng)放大器構(gòu)成的前置級(jí)緩沖級(jí)與差動(dòng)放大器構(gòu)成的前置級(jí))(21321321CMRRCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRAACMRRcd-+= 提高放大電路的共模抑制能力的措施仍然是使提高放大電路的共模抑制能力的措施仍然是使A A1 1、A A2 2的的共模抑制比相等，并盡可能提高差動(dòng)級(jí)的電阻匹配精度。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。 39AD620AD620為一個(gè)低成本、低功耗、高精度的單為一個(gè)低成本、低功耗、高精度的單片儀器放大器。片儀器放大器。AD

20、620AD620的性能比傳統(tǒng)的三運(yùn)算放大器優(yōu)越。的性能比傳統(tǒng)的三運(yùn)算放大器優(yōu)越。特點(diǎn)：特點(diǎn)：1.1.只用一個(gè)外部電阻就能設(shè)置放大倍數(shù)只用一個(gè)外部電阻就能設(shè)置放大倍數(shù) 為為1 110001000；2.2.電源范圍寬電源范圍寬( (2.32.318V)18V)；3.3.體積?。惑w積??；4.4.功耗非常低功耗非常低( (最大供電電流僅最大供電電流僅1.3mA)1.3mA)；適用于低電壓、低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合。適用于低電壓、低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合。 AD620外形圖外形圖40AD620內(nèi)部原理圖內(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；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

21、超用超工藝獲得更低的輸入偏置電流；通過輸入級(jí)內(nèi)部工藝獲得更低的輸入偏置電流；通過輸入級(jí)內(nèi)部Q1-A1-R1和和Q2-A2-R2反饋環(huán)路反饋環(huán)路,保持輸入三極管的集電極電流恒定，所以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)部增兩端上；兩個(gè)內(nèi)部增益電阻益電阻R1、R2精確定為精確定為24.7k。 41增益：增益：外部控制電阻值為外部控制電阻值為：WFdRRA121+=由由42主要技術(shù)參數(shù)：主要技術(shù)參數(shù)：1.1.輸入阻抗輸入阻抗 （input impedanceinput impedance）；）；2.2.共模抑制比（

22、共模抑制比（common mode rejection ratiocommon mode rejection ratio， CMRRCMRR）；）；3.3.偏置電流偏置電流(bias current)(bias current)；4.4.輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓(input offset voltage)(input offset voltage)；5.5.輸入噪聲（輸入噪聲（input noiseinput noise）。）。43（1）輸入阻抗）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10G/2PF。（2）共模抑制比（）共模抑制比（CMRR）通常取平

23、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。 44（3）偏置電流（）偏置電流（bias current）兩輸入端到地有一個(gè)小的偏置電流（直流），兩輸入端到地有一個(gè)小的偏置電流（直流），AD620該參數(shù)該參數(shù)為為0.5nA，最大為，最大為2nA。（4）輸入失調(diào)電壓（）輸入失調(diào)電壓（input offset voltage）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

24、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)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。放的失調(diào)電壓。AD620的的最大值可達(dá)最大值可達(dá)125V。（5）輸入噪聲）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/f1/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。溫度、頻率影響。頻率頻率1kHz1kHz時(shí)輸入電壓噪聲為時(shí)輸入電壓噪聲為9 9 ；0.10.110Hz10Hz頻段輸入電流噪聲為頻段輸入電流噪聲為10PA10PAp p

25、p p HznV45AD620構(gòu)成的常用生理參數(shù)前置放大電路構(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)換電流轉(zhuǎn)換 壓力檢測(cè)電路壓力檢測(cè)電路 3k、+5V供電的壓力傳感器電橋；電橋功耗僅供電的壓力傳感器電橋；電橋功耗僅1.7mA,AD620和和AD705緩沖電壓驅(qū)動(dòng)器對(duì)信號(hào)調(diào)節(jié)緩沖電壓驅(qū)動(dòng)器對(duì)信號(hào)調(diào)節(jié),使總供電電流僅為使總供電電流僅為3.8mA；電路產(chǎn)生的噪聲和；電路產(chǎn)生的噪聲和漂移極低。漂移極低。46由由AD620構(gòu)成的實(shí)際心電監(jiān)測(cè)電路構(gòu)成的實(shí)際心電監(jiān)測(cè)電路47四、前置級(jí)共模抑制能力的提高四、前置級(jí)共模抑制能力的提高

26、圖3-10 導(dǎo)聯(lián)線分布電容影響方法：方法：1.正確設(shè)計(jì)電路參數(shù)；正確設(shè)計(jì)電路參數(shù)；2.改進(jìn)電路。改進(jìn)電路。 1.2 生物電前置放大器工作原理48四、前置級(jí)共模抑制能力的提高四、前置級(jí)共模抑制能力的提高 （一）屏蔽驅(qū)動(dòng)（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輸入端的分布電容為為C1C1，C2C2 。 C1C1，C2C2不不等，電極阻抗等，電極阻抗RS不平衡，則不平衡，則R Rs1s1C C1 1 R Rs2s2C C2 2,使共模使共模電壓不等量衰減，放大器電壓不等量衰減，放大器CMRR下降。下降。49問問 題

27、：題：輸入端的共模電壓產(chǎn)生共模誤差輸出。輸入端的共模電壓產(chǎn)生共模誤差輸出。 解決思路：解決思路：使屏蔽層電容不起衰減作用。使屏蔽層電容不起衰減作用。辦辦 法：法：導(dǎo)聯(lián)線的屏蔽層不接地，接到與共模輸入信導(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)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。形成共模誤差。 501、屏蔽驅(qū)動(dòng) 1.2 生物電前置放大器工作原理四、前置級(jí)共模抑制能力的提高四、前置級(jí)共模抑制能力的提高 51)21(idicUU+)21(idicUU -（1）取放大電路

28、的共模電壓驅(qū)動(dòng)屏蔽層，使分布電容）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。的端電壓保持不變。（2）A1、A2構(gòu)成緩沖級(jí)，其輸出分別為：構(gòu)成緩沖級(jí)，其輸出分別為： 電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)R-R接接A1、A2的輸出端，在網(wǎng)絡(luò)的中點(diǎn)取出的輸出端，在網(wǎng)絡(luò)的中點(diǎn)取出A1、A2輸出電壓的平均值輸出電壓的平均值Uic，經(jīng)緩沖放大器，經(jīng)緩沖放大器A3驅(qū)動(dòng)屏蔽層，驅(qū)動(dòng)屏蔽層，消除由消除由C1、C2引起的不均衡衰減。引起的不均衡衰減。 522、右腿驅(qū)動(dòng)等效電路Ro:安全保護(hù)作用；Ro一般取值：M5。M51.2 生物電前置放大器工作原理四、前置級(jí)共模抑制能力的提高四、前置級(jí)共模抑制能力的提高

29、 53實(shí)際應(yīng)用電路實(shí)際應(yīng)用電路(三三) 右腿驅(qū)動(dòng)技術(shù)右腿驅(qū)動(dòng)技術(shù) 右腿不直接接地，接到右腿不直接接地，接到A3的輸出。從兩的輸出。從兩Ra結(jié)點(diǎn)取共模電結(jié)點(diǎn)取共模電壓，經(jīng)壓，經(jīng)A3放大后通過放大后通過R0電阻反饋到右腿。人體的位移電流這時(shí)電阻反饋到右腿。人體的位移電流這時(shí)不再流入地，而是流向不再流入地，而是流向R0和和A3的輸出。當(dāng)病人和地之間出現(xiàn)很的輸出。當(dāng)病人和地之間出現(xiàn)很高電壓時(shí)，高電壓時(shí)，A3飽和，右腿驅(qū)動(dòng)電路不起作用，飽和，右腿驅(qū)動(dòng)電路不起作用，A3等效于接地，等效于接地，R0起限流保護(hù)，安全保護(hù)。起限流保護(hù)，安全保護(hù)。54理想運(yùn)放的條件：虛短、虛斷；理想運(yùn)放的條件：虛短、虛斷； 0;

30、=-+-+IIUU02=+FoacmRURUcmaFoURRU2-=人體感應(yīng)共模電壓:cmoodcm；UURIU+=aFdocmRRIRU21+=1.2 生物電前置放大器工作原理55cmaFoVRRV2-=A3不飽和時(shí)的共模電壓。反相端輸入為：不飽和時(shí)的共模電壓。反相端輸入為：mVKAVcm5 . 25 .12102 . 06=-討論：討論：（1）要小，可增大）要小，可增大2RF/Ra（2）Vcm大時(shí)，大時(shí)， R0必須起保護(hù)作必須起保護(hù)作 用，其值較大。用，其值較大。 故故A3要求能要求能 在微電流下工作，則在微電流下工作，則RF可選較可選較 大值。大值。例：如果選例：如果選RF=R05M，R

31、a典型值為典型值為25k，則等效電阻為，則等效電阻為12.5k。若位。若位移電流移電流 =0.2A，則：，則：dI56 為了人體安全的目的，通常生物電信號(hào)測(cè)量技術(shù)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。采用浮地形式，以便實(shí)現(xiàn)人體與電氣上的隔離。 1.3 隔離級(jí)設(shè)計(jì)57浮地概念l 所謂浮地（或浮置），即信號(hào)在傳遞的過程中，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?、直接耦合等），而是利用諸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，兩部分之間沒有電路上的直接聯(lián)系。 1.3 隔離級(jí)設(shè)計(jì)58l什么是隔離？l信號(hào)從浮地部分傳遞到接

32、地部分，兩部分之間沒有電路上的直接聯(lián)系。浮地：為浮置部分電路的等電位點(diǎn)；接地：電路工作地。浮置部分電路電源應(yīng)單獨(dú)供電。1.3 隔離級(jí)設(shè)計(jì)59l隔離的目的l保障從身安全，消除電源、地線干擾。l實(shí)現(xiàn)電氣隔離有兩種方案：l電磁耦合：經(jīng)變壓器傳遞信號(hào)。l光電耦合：用光電器件傳遞信號(hào)。1.3 隔離級(jí)設(shè)計(jì)60一一光電耦合光電耦合l光電耦合種類：l光電二極管耦合；l光電晶體管耦合。 1.3 隔離級(jí)設(shè)計(jì)61一一光電耦合光電耦合l光電耦合的工作原理：l發(fā)光二極管把電能轉(zhuǎn)化為光能，光敏二極管(或光敏三極管)光能轉(zhuǎn)化為電能。l光電器件工作方式：l線性工作方式：光電耦合的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)： incII=1.3 隔離級(jí)設(shè)計(jì)

33、62晶體管特性曲線： 光電晶體管轉(zhuǎn)移特性光電晶體管轉(zhuǎn)移特性63l數(shù)字信號(hào)光電耦合：發(fā)光二極管電壓降：1.5V；要求：mAIi5選取Ri。隔離放大器(模擬光電耦合)：注意：輸入Ii取值:12mA、輸入端靜態(tài)電流 RL的選取一般為:Ic=1mA左右。 單級(jí)光電耦合64ECG-6511ECG-6511前置放大光電耦合級(jí)電路前置放大光電耦合級(jí)電路 發(fā)光二極管發(fā)光二極管DA有電流通過發(fā)光時(shí)，有電流通過發(fā)光時(shí)，DB、DC中產(chǎn)生反向電流中產(chǎn)生反向電流 65A1為耦合驅(qū)動(dòng)級(jí)，在輸入信號(hào)為零的初始狀態(tài)，為耦合驅(qū)動(dòng)級(jí)，在輸入信號(hào)為零的初始狀態(tài)，Ii0，A 點(diǎn)點(diǎn)為虛地點(diǎn)，為虛地點(diǎn)，B點(diǎn)呈負(fù)電位，有：點(diǎn)呈負(fù)電位，有：

34、VUB58. 19 . 3/47129 . 3/47)9 . 6(-=+-=靜態(tài)：靜態(tài)： 47k 上的電流上的電流I恒定，從恒定，從A點(diǎn)流出，電容點(diǎn)流出，電容C以以IC充電，充電，C點(diǎn)電點(diǎn)電位升高，位升高，VA導(dǎo)通，產(chǎn)生導(dǎo)通，產(chǎn)生IDA， 發(fā)光二極管發(fā)光二極管DA發(fā)光，光電池發(fā)光，光電池DB產(chǎn)生反向電流產(chǎn)生反向電流IDB 流入流入A點(diǎn)，當(dāng)點(diǎn)，當(dāng)IDBI時(shí)，電容時(shí)，電容C的充電電流為的充電電流為0，C點(diǎn)電位恒定，發(fā)光二極管點(diǎn)電位恒定，發(fā)光二極管DA和光電池和光電池DB中的電流達(dá)一穩(wěn)中的電流達(dá)一穩(wěn)定值定值IDA0、IDB0； 同理，同理，IDA0使使IDC0有有IDC0=I，調(diào)整，調(diào)整50k 電位

35、器，使電位器，使U0確定靜態(tài)確定靜態(tài)值。值。66DBIDBiII=iDBDCIII=FiFDCoRIRIU=iiiRIU=iFioRRUU=動(dòng)態(tài)：動(dòng)態(tài)：輸入輸入U(xiǎn)i0，有，有Ii注入注入A點(diǎn)，致點(diǎn)，致Uc下降，使下降，使IDA減小，減小，DA光強(qiáng)變光強(qiáng)變?nèi)?，繼而弱，繼而 減低。減低。當(dāng)當(dāng) ，Ic0（C反向充電結(jié)束）。此時(shí)：反向充電結(jié)束）。此時(shí)：輸出為：輸出為： 輸入為輸入為： 光電耦合電壓轉(zhuǎn)換比率為：光電耦合電壓轉(zhuǎn)換比率為： 結(jié)論：結(jié)論：轉(zhuǎn)移過程的線性度取決于光電器件轉(zhuǎn)移過程的線性度取決于光電器件DA 、DB、DC的特性，尤其是的特性，尤其是DB和和DC的對(duì)稱性。為了提高線性度，的對(duì)稱性。為了

36、提高線性度，DB和和DC的偏置電路參數(shù)也應(yīng)保持的偏置電路參數(shù)也應(yīng)保持對(duì)稱。對(duì)稱。67互補(bǔ)方式光電耦合電路互補(bǔ)方式光電耦合電路 優(yōu)點(diǎn)：通過選擇芯片的對(duì)稱性，提高電路的線性度。優(yōu)點(diǎn)：通過選擇芯片的對(duì)稱性，提高電路的線性度。 68DiiiIIRUII=111,/FDIII=22FFoIRU=iiFoURRU=光電晶體管耦合器光電晶體管耦合器T117，兩個(gè)光電耦合器兩個(gè)光電耦合器PH1和和PH2對(duì)稱性好，電流對(duì)稱性好，電流轉(zhuǎn)移系數(shù)分別是轉(zhuǎn)移系數(shù)分別是 1和和 2 。運(yùn)放。運(yùn)放A1、A2工作在線性狀態(tài)。工作在線性狀態(tài)。A1通過通過PH1形成負(fù)形成負(fù)反饋。反饋。靜態(tài)時(shí)：靜態(tài)時(shí)： Ii I1，電容，電容C中

37、的電流為中的電流為0，當(dāng)信號(hào)當(dāng)信號(hào)ui 到達(dá)平衡時(shí)：到達(dá)平衡時(shí)：耦合輸出級(jí)耦合輸出級(jí)A2有：有：輸出：輸出： 由于由于 1= 2，所以：，所以： R3和和C改善電路的穩(wěn)定性和頻率特性改善電路的穩(wěn)定性和頻率特性HP1工作速度遠(yuǎn)低于工作速度遠(yuǎn)低于A1，A1進(jìn)入工作的瞬間，由進(jìn)入工作的瞬間，由HP1形成的負(fù)反饋環(huán)路形成的負(fù)反饋環(huán)路是斷開的，來不及建立負(fù)反饋，使是斷開的，來不及建立負(fù)反饋，使A1輸出電壓過沖。引入輸出電壓過沖。引入R3后，反饋系后，反饋系數(shù)變小，增加電路的穩(wěn)定性。數(shù)變小，增加電路的穩(wěn)定性。電容電容C為為A1提供快速反饋環(huán)節(jié)。提供快速反饋環(huán)節(jié)。 RF/Ri為電壓轉(zhuǎn)換率為電壓轉(zhuǎn)換率69一一

38、光電耦合光電耦合l光電器件工作方式：l數(shù)字耦合工作方式：l優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快，耦合級(jí)頻帶寬。l缺點(diǎn)：浮地電源負(fù)載重，耦合器件多。 1.3 隔離級(jí)設(shè)計(jì)前置放大主放大ADC耦合級(jí)浮地電源70數(shù)字信號(hào)的光電耦合數(shù)字信號(hào)的光電耦合AD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。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。u單級(jí)耦合電路單級(jí)耦合電路 數(shù)字信號(hào)光電耦合數(shù)字信號(hào)光電耦合 單級(jí)光電耦合單級(jí)光電耦合 浮地電源通過浮地電源通過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)。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)光電三極管中的信號(hào)電流經(jīng)RL 送入送入A2。耦

39、合級(jí)工作速度：耦合級(jí)工作速度： 由由RL與耦合器結(jié)電容的時(shí)間常數(shù)與耦合器結(jié)電容的時(shí)間常數(shù) p決定決定。 71二二電磁耦合：電磁耦合：理想變壓器：理想變壓器： 2121NNUU=1221NNII=變壓器頻率特性：變壓器頻率特性： mfNE=44. 4頻率越低頻率越低m越大鐵芯越大鐵芯(或磁芯或磁芯)容易飽和，容易飽和，頻率越高損耗越大。頻率越高損耗越大。 生物信號(hào)一般采用調(diào)制載波傳輸。生物信號(hào)一般采用調(diào)制載波傳輸。 1.3 隔離級(jí)設(shè)計(jì)72二、電磁耦合放大調(diào)制解調(diào)放大浮置電源直流電源載波發(fā)生UOUi 變壓器不能傳遞低頻、直流信號(hào)，故先通過調(diào)制電路，把低頻信號(hào)調(diào)變壓器不能傳遞低頻、直流信號(hào)，故先通過調(diào)制電路，把低頻信號(hào)調(diào)制在高頻載波上，經(jīng)過變壓器耦合，再解調(diào)，恢復(fù)生物信號(hào)。制在高頻載波上，經(jīng)過變壓器耦合，再解調(diào)，恢復(fù)生物信號(hào)。 浮地放大器的直流電源由載波發(fā)生器（幾十浮地放大器的