第三章醫(yī)學(xué)儀器常用電路3.1運(yùn)算放大器的類型和技術(shù)參數(shù)3.2信號(hào)放大電路3.3濾波電路3.4典型電源電路3.5生物電放大器前置級(jí)原理3.6噪聲特性分析3.7抗干擾措施3.8便攜式儀器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)3.1運(yùn)算放大器的類型和技術(shù)參數(shù)通用型運(yùn)放通用型運(yùn)放的各項(xiàng)性能指標(biāo)都比一般的分立元件直接耦合放大電路有所改善，大致能夠滿足中等精度的要求，一般情況下無(wú)須調(diào)零即可使用。專用型運(yùn)放低噪聲運(yùn)放、精密運(yùn)放、高速運(yùn)放、低偏置電流運(yùn)放、低漂移運(yùn)放、低功耗/微功耗運(yùn)放等。3.1運(yùn)算放大器的類型和技術(shù)參數(shù)3.1.1運(yùn)放的類型3.1.2運(yùn)放的參數(shù)3.1.3集成電路的元件特性3.1.1運(yùn)放的類型1通用型運(yùn)算放大器2高阻型運(yùn)算放大器3低溫漂型運(yùn)算放大器4高速型運(yùn)算放大器5低功耗型運(yùn)算放大器6高壓大功率型運(yùn)算放大器

3.1.2運(yùn)放的參數(shù)圖3-1非理想運(yùn)算放大器的等效電路圖3-2運(yùn)算放大器輸入端的長(zhǎng)尾對(duì)電路3.1.2運(yùn)放的參數(shù)1輸入?yún)?shù)2差模特性參數(shù)3共模特性參數(shù)4大信號(hào)動(dòng)態(tài)參數(shù)3.1.2運(yùn)放的參數(shù)1輸入?yún)?shù)（1）輸入失調(diào)電壓（2）輸入偏置電流（3）輸入失調(diào)電流（4）溫度漂移

圖3-3放大器的輸入結(jié)構(gòu)3.1.2運(yùn)放的參數(shù)2差模特性參數(shù)（1）開(kāi)環(huán)差模電壓增益（2）最大差模輸入電壓（3）差模輸入電阻圖3-4741型運(yùn)放AVO的頻率響應(yīng)3.1.2運(yùn)放的參數(shù)3共模特性參數(shù)（1）最大共模輸入電壓（2）共模輸入電阻（3）共模抑制比CMRR3.1.2運(yùn)放的參數(shù)4大信號(hào)動(dòng)態(tài)參數(shù)（1）轉(zhuǎn)換速率SR（2）全功率帶寬（3）單位增益帶寬BWG圖3-5轉(zhuǎn)換速率示意圖3.1.3集成電路的元件特性

集成電路（IC）上晶體管偏置電路的設(shè)計(jì)方法通常與分立元件電路不同，這是因?yàn)槿菹蕖⑵ヅ浜驮南鄬?duì)成本相差很多。所以在IC設(shè)計(jì)過(guò)程中，要盡可能的避免使用電容和電阻。另一個(gè)需要考慮的因素是特定生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)的元件質(zhì)量。3.2信號(hào)放大電路

信號(hào)放大器是檢測(cè)技術(shù)中應(yīng)用十分廣泛的調(diào)理電路，通常被置于靠近傳感器或轉(zhuǎn)換器的位置，將微弱的信號(hào)放大，提高有用信號(hào)的電平，從而提高了測(cè)量信號(hào)的信噪比。常用的放大電路有同相放大器、反相放大器、差動(dòng)放大器和隔離放大器等，它們大多由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成。3.2信號(hào)放大電路3.2.1反相放大電路3.2.2同相放大器3.2.3基本差動(dòng)放大電路3.2.4高共模抑制比放大電路3.2.5電橋電路3.2.6隔離放大器3.2.1反相放大電路

圖3-6反相放大電路3.2.1反相放大電路反相放大器的特點(diǎn)：①引入深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸出電壓與運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)無(wú)關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)；②共模輸入電壓為0，對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求低；③由于電壓負(fù)反饋的作用，輸出電阻小，可認(rèn)為是0，因此帶負(fù)載能力強(qiáng)；④由于并聯(lián)負(fù)反饋的作用，輸入電阻小，，因此對(duì)輸入電流有一定要求；⑤平衡電阻，使輸入端對(duì)地的靜態(tài)電阻相等，保證靜態(tài)時(shí)輸入級(jí)的對(duì)稱性；⑥為了保證一定的輸入電阻，當(dāng)放大倍數(shù)大時(shí)，需增大，而大電阻的精度差，因此在放大倍數(shù)大時(shí)，此結(jié)構(gòu)的反相放大器不再適用。3.2.2同相放大器

圖3-7同相放大電路同相放大器的放大倍數(shù)abC3.2.2同相放大器同相放大器的特點(diǎn)：①由于電壓負(fù)反饋的作用，輸出電阻小；②由于串聯(lián)負(fù)反饋的作用，輸入電阻大；③共模輸入電壓為，因此對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求高。3.2.3基本差動(dòng)放大電路

圖3-8基本差動(dòng)放大電路差動(dòng)運(yùn)放電路放大倍數(shù)電路放大倍數(shù)通用放大倍數(shù)公式CMRR影響因素分析同相放大倍數(shù)為0電阻失配的共模抑制比CMRR影響因素分析器件本身的CMRRD總的CMRR3.2.4高共模抑制比放大電路圖3-9三運(yùn)放電路圖

圖3-10同相并聯(lián)結(jié)構(gòu)的心電前置級(jí)電路第一級(jí)放大電路的放大倍數(shù)兩級(jí)放大電路的增益第一級(jí)電路的共模抑制比總共模抑制比共模抑制能力取決于：第一級(jí)運(yùn)放器件共模抑制比的對(duì)稱程度第二級(jí)運(yùn)放器件的共模抑制比差動(dòng)放大級(jí)的閉環(huán)增益以及

、

電阻的匹配精度同相并聯(lián)的第一級(jí)差動(dòng)增益、

嚴(yán)格挑選第一級(jí)器件有較好的對(duì)稱性，從而兩級(jí)放大電路的共模抑制比主要取決于第一級(jí)的差動(dòng)增益和第二級(jí)的共模抑制能力。3.2.4高共模抑制比放大電路

這種結(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。（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。（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。3.2.5電橋電路圖3-11惠斯通電橋電路及等效電路圖3-12電橋平衡電路電橋電路計(jì)算公式電橋等效輸出阻抗電橋等效輸出電壓典型惠斯通電橋的輸出電壓3.2.6隔離放大器

隔離放大器可應(yīng)用于高共模電壓環(huán)境下的小信號(hào)測(cè)量。使用光電隔離放大器應(yīng)該注意的問(wèn)題：（1）放大器前、后級(jí)之間不能有任何電的連接，不能共用電源，地線也不能接在一起。（2）光電耦合器中的發(fā)光二極管的工作電流極限值通常為30mA，因此光電隔離放大器的設(shè)計(jì)主要是設(shè)置光電耦合器的工作電流范圍。3.3濾波電路允許一定頻率范圍的信號(hào)順利通過(guò)，抑制或削弱（即濾除）那些不需要的頻率分量的過(guò)程稱為濾波。把信號(hào)能夠通過(guò)的頻率范圍，稱為通頻帶或通帶，信號(hào)受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱為阻帶。通帶和阻帶之間的分界頻率稱為截止頻率。理想濾波器在通帶內(nèi)的電壓增益為常數(shù)，在阻帶內(nèi)的電壓增益為零，實(shí)際濾波器的通帶和阻帶之間存在一定的過(guò)渡帶。3.3濾波電路3.3.1濾波器的分類3.3.2濾波器的主要特性指標(biāo)3.3.3RC有源濾波電路3.3.4幾款常用的濾波器設(shè)計(jì)軟件3.3.5有源濾波器集成電路3.3.1濾波器的分類(1)按所處理的信號(hào)分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。(2)按所通過(guò)信號(hào)的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。(3)按所采用的元器件分為無(wú)源和有源濾波器兩種。(4)按微分方程或傳遞函數(shù)的階數(shù)分有：一階濾波器、二階濾波器或高階濾波器等。3.3.2濾波器的主要特性指標(biāo)（1）特征頻率（2）增益與衰耗（3）阻尼系數(shù)α與品質(zhì)因數(shù)Q（4）靈敏度（5）群時(shí)延函數(shù)3.3.3RC有源濾波電路RC濾波器電路簡(jiǎn)單，抗干擾性強(qiáng)，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)的阻容元件易得，所以在實(shí)際電路中最經(jīng)常用到的濾波器是RC濾波器。

RC有源濾波電路具有良好的性能：體積小，品質(zhì)因數(shù)Q值可達(dá)1000，有源濾波電路中可加電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使輸入電阻高、輸出電阻低，輸入輸出之間具有良好的隔離。3.3.4幾款常用的濾波器設(shè)計(jì)軟件（1）FilterSolutions（2）FilterWizPro（3）FilterCAD（4）FilterLab（5）FilterPro（6）Webench3.3.5有源濾波器集成電路

目前電子市場(chǎng)上已有多種有源濾波器集成電路，例如美國(guó)MAXIM公司的MAX274/275，MAX26X系列（引腳可編程的通用及帶通濾波器）；BB公司的UAF42有源濾波器；美國(guó)LTC(linearTechnologyCorp)公司的LTC1562等。3.4典型電源電路電源電路的類型：AC/DC,DC/DC；線性電源，開(kāi)關(guān)電源線性電源：調(diào)整管工作在線性放大區(qū)輸出紋波電壓小、瞬態(tài)響應(yīng)速度快、沒(méi)有高頻干擾、電路簡(jiǎn)單便于維修功耗很大，變換效率通常只有35%，需要加體積龐大的散熱片，大體積的工頻變壓器，大電解電容開(kāi)關(guān)電源：利用功率半導(dǎo)體器件使變壓器工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，利用L、C儲(chǔ)能并通過(guò)PWM（脈寬調(diào)制）控制獲得需要的電壓的裝置。功耗小，效率高，可達(dá)80%~90%。體積小，重量輕。高頻元器件價(jià)格高，因此成本較高，輸出紋波噪聲電壓較高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。3.4典型電源電路傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，如78xx系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓高出2V~3V以上，否則就不能正常工作。高壓差芯片的特點(diǎn)是可提供較大的電流，可以達(dá)到1-2A，因此一般在電源電路的前端使用高壓差芯片，以保證儀器電路能量的供應(yīng)。圖3-13典型直流電源的組成部分在醫(yī)學(xué)電子電源設(shè)計(jì)中，采用工頻電源供電時(shí)通常先通過(guò)AC/DC電路得到需要的直流電壓，再通過(guò)DC/DC隔離應(yīng)用部分或是降低電源紋波，之后通過(guò)LDO輸出穩(wěn)定的電壓為模擬電路供電，當(dāng)整個(gè)電路中需要負(fù)電壓電源時(shí)通常通過(guò)電荷泵產(chǎn)生負(fù)壓。

交流電AC/DC

線性電源/

開(kāi)關(guān)電源DC/DC(升壓型/降壓型/電氣隔離型)LDO電荷泵

圖3-14醫(yī)學(xué)儀器中常用的電源結(jié)構(gòu)圖鋰離子電池特點(diǎn)鋰離子電池的標(biāo)稱電壓是3.7V，充電終止電壓4.2V。鋰聚合物電池是其升級(jí)版本，比鋰離子電池更輕，能量密度更高嚴(yán)禁過(guò)充、過(guò)放電，一旦充電超過(guò)4.2V或者放電低于3.6V，都可能會(huì)永久性損壞鋰電池或者造成容量下降。鋰電池的充電管理使用專門的電源管理芯片。3.5生物電放大器前置級(jí)原理對(duì)人體電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，通常要求對(duì)兩點(diǎn)間的電位差進(jìn)行放大。因此生物電放大器前置級(jí)通常采用差動(dòng)電路結(jié)構(gòu)。根據(jù)生物電信號(hào)的特點(diǎn)以及通過(guò)生物電極的提取方式，對(duì)生物電放大器前置級(jí)提出下述性能指標(biāo)要求。各項(xiàng)要求的實(shí)際數(shù)值范圍，由所測(cè)量的參數(shù)確定。3.5生物電放大器前置級(jí)原理3.5.1高輸入阻抗3.5.2高共模抑制比3.5.3低噪聲、低漂移3.5.4設(shè)置保護(hù)電路3.5.1高輸入阻抗

圖3-15生物電放大器的輸入回路電路放大倍數(shù)為放大倍數(shù)與輸入阻抗和信號(hào)源阻抗有關(guān)，加大輸入阻抗可以減小信號(hào)源內(nèi)阻變化對(duì)放大倍數(shù)的影響3.5.2高共模抑制比

為了抑制人體所攜帶的工頻干擾以及所測(cè)量的參數(shù)外的其他生理作用的干擾，需選用差動(dòng)放大形勢(shì)，因此CMRR值是放大器的主要技術(shù)指標(biāo)。生物電放大器的CMRR值一般要求為60~80dB，高性能放大器的CMRR達(dá)100dB，這說(shuō)明對(duì)于100mV的共模干擾和0.1μV的差模干擾具有相同的輸出。3.5.3低噪聲、低漂移

對(duì)于幅度僅在微伏、毫伏數(shù)量級(jí)的低頻生物電信號(hào)而言，低噪聲、低漂移是生物電前置放大器的重要要求。3.5.4設(shè)置保護(hù)電路

作為生物醫(yī)學(xué)測(cè)量的生物電放大器，應(yīng)在前置級(jí)設(shè)置保護(hù)電路，包括人體安全保護(hù)電路和放大器輸入保護(hù)電路。保護(hù)電路使通過(guò)電流保持在安全水平。3.6噪聲特性分析

噪聲和干擾是電子儀器的大敵，它混在信號(hào)之中，會(huì)降低儀器的有效分辨能力和靈敏度，使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。在數(shù)字邏輯電路中，如果干擾信號(hào)的電平超過(guò)邏輯元件的噪聲容限電平，會(huì)使邏輯元件產(chǎn)生誤動(dòng)作，導(dǎo)致系統(tǒng)工作紊亂。噪聲和干擾是不可避免的，尤其是在人體電信號(hào)通常很弱的情況下，如何提高電子儀器的抗干擾能力，保證測(cè)量結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確，是儀器設(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題。3.6噪聲特性分析3.6.1噪聲與干擾的基本特性3.6.2運(yùn)放電路中的噪聲分析3.6.1噪聲與干擾的基本特性

干擾與噪聲是兩個(gè)不同性質(zhì)的概念。一般來(lái)說(shuō)，把那些來(lái)自信號(hào)外部、可以用屏蔽或接地的方法加以減弱或消除的影響稱為“干擾”；而把由于材料或器件內(nèi)部的原因而產(chǎn)生的污染稱為“噪聲”。生物醫(yī)學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中的主要噪聲類型有三種類型，低頻噪聲、熱澡聲、散粒噪聲。低頻噪聲熱噪聲熱噪聲的譜密度與工作頻率f無(wú)關(guān)，屬于白噪聲散粒噪聲散粒噪聲屬于白噪聲。散粒噪聲與流過(guò)半導(dǎo)體PN結(jié)位壘的電流有關(guān)，所以三極管、二極管中都存在散粒噪聲的電流噪聲機(jī)構(gòu)。在簡(jiǎn)單的導(dǎo)體中沒(méi)有位壘，因此沒(méi)有散粒噪聲。3.6.2運(yùn)放電路中的噪聲分析

運(yùn)算放大器的直流參數(shù)有輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流、開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)和倍率電阻，它們是形成零點(diǎn)漂移電壓e和倍率系數(shù)變化dk的主要因素。圖3-16是一個(gè)同相放大電路的等效電路。

圖3-16同相輸入方式運(yùn)算放大電路的等效電路該放大器的放大倍數(shù)為(1+k)d。當(dāng)放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)

時(shí)，系數(shù)d→1，此時(shí)實(shí)際運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)接近理想運(yùn)放的放大倍數(shù)。由于A、R

都隨溫度的變化而變化，因此實(shí)際運(yùn)放的放大倍數(shù)還會(huì)隨溫度的變化而產(chǎn)生溫度漂移。輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流對(duì)放大器輸出的影響相當(dāng)于在輸入信號(hào)上加了一個(gè)零漂電壓但

都是溫度的函數(shù)，因此溫度變化時(shí)等效的零漂電壓

也會(huì)隨著變化。減小零漂電壓的方法有兩個(gè)，一是控制溫度變化范圍，二是選擇失調(diào)電壓電流小的運(yùn)放。3.7抗干擾措施干擾的來(lái)源有很多，性質(zhì)也不一樣。干擾竄入儀器的渠道主要有三個(gè)：（1）空間電磁場(chǎng)。通過(guò)電磁波輻射竄入儀器，如雷電、無(wú)線電波等。（2）傳輸通道。各種干擾通過(guò)儀器的輸入輸出通道竄入，特別是長(zhǎng)輸出線受到的干擾更嚴(yán)重。（3）配電系統(tǒng)。如來(lái)自市電的工頻干擾，它可以通過(guò)電源變壓器分布電容和各種電磁路徑對(duì)測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生影響。各種開(kāi)關(guān)、可控硅的啟閉，元器件的機(jī)械振動(dòng)等都會(huì)對(duì)測(cè)試過(guò)程引起不同程度的干擾。3.7抗干擾措施3.7.1串模干擾及其抑制3.7.2共模干擾及其抑制3.7.3模擬電路和數(shù)字電路的隔離3.7.4接地方法3.7.5軟件的抗干擾技術(shù)3.7.6自激震蕩現(xiàn)象與排除方法3.7.1串模干擾及其抑制

串模干擾是由外界條件引起的、疊加在被測(cè)電壓上的干擾信號(hào)，并通過(guò)測(cè)量?jī)x器的輸入端，與被測(cè)信號(hào)一起進(jìn)入測(cè)量?jī)x器而引起測(cè)量誤差。串模干擾的抑制：（1）采用濾波器（2）選擇器件（3）對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理（4）電磁屏蔽圖3-17串模干擾疊加原理3.7.2共模干擾及其抑制

共模干擾就是同時(shí)疊加在兩條被測(cè)信號(hào)線上的外界干擾信號(hào)，由于被測(cè)信號(hào)的地和儀器地之間不等電位，兩個(gè)“地”之間的電位差就成為共模干擾源。

圖3-18輸入回路的共模干擾共模干擾源通過(guò)信號(hào)源內(nèi)阻、導(dǎo)線電阻

以及絕緣阻抗，把干擾源的一部分變換成串模干擾源之后，才對(duì)測(cè)量產(chǎn)生干擾，引起測(cè)量誤差。3.7.2共模干擾及其抑制降低共模干擾轉(zhuǎn)換成串模干擾的效率，就可以抑制共模干擾引起的誤差。（1）利用雙端輸入的運(yùn)算放大器作為輸入通道的前置放大器，抑制共模干擾。（2）利用隔離放大器、變壓器或光電耦合器將信號(hào)源和儀器隔離，使兩個(gè)地之間沒(méi)有直接的導(dǎo)通回路。（3）利用浮地輸入雙層屏蔽放大器雙層屏蔽的共模干擾抑制

圖3-19雙層屏蔽的結(jié)構(gòu)及等效電路3.7.3模擬電路和數(shù)字電路的隔離

醫(yī)學(xué)電子儀器中既有數(shù)字電路，又有模擬電路，但輸入的模擬信號(hào)很小時(shí)，數(shù)字電路對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生較大的干擾，為了解決這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)該避免兩者之間有共同的回路，將模擬電路和數(shù)字電路隔離起來(lái)。3.7.4接地方法1.單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地2.數(shù)字地和模擬地圖3-20單點(diǎn)接地方式圖3-21高頻電路的多點(diǎn)接地3.7.5軟件的抗干擾技術(shù)1.干擾對(duì)軟件的影響2.“看門狗”技術(shù)

圖3-22數(shù)字地和模擬地的正確接法3.7.6自激震蕩現(xiàn)象與排除方法

電子儀器在無(wú)輸入的情況下有輸出波形，這是由于儀器內(nèi)產(chǎn)生了自激震蕩。在生物信號(hào)放大器中，這種震蕩是有害的，應(yīng)予根除。高頻振蕩一般是由于放大器的級(jí)間耦合和布線不合理引起的。消除高頻振蕩的方法是合理安排布線，改善接地點(diǎn)，隔離輸入級(jí)和輸出級(jí)，加固電路板等。低頻振蕩主要是由于前后級(jí)共用同一個(gè)直流電源所引起的。消除的辦法主要是采用高質(zhì)量電源以及在各級(jí)供電電源之間加RC退耦電路，使各級(jí)電源在一定程度上獨(dú)立起來(lái)。3.8便攜式儀器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

便攜式儀器一般采取電池供電方式。使用者當(dāng)然不希望經(jīng)常性的充電或更換電池，所以待機(jī)時(shí)間的長(zhǎng)短往往是使用者考慮的一個(gè)重要因素。這要求設(shè)計(jì)者采取各種方法來(lái)降低功耗。3.8便攜式儀器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)3.8.1選擇CMOS工藝的元器件3.8.2單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)3.8.3存儲(chǔ)器的低功耗設(shè)計(jì)3.8.4電源的低功耗設(shè)計(jì)3.8.5使用液晶顯示技術(shù)3.8.6表面安裝技術(shù)3.8.7電路集成設(shè)計(jì)3.8.8減小體積尺寸3.8.1選擇CMOS工藝的元器件

隨著集成電路工藝的發(fā)展，集成電路的電源電壓已呈下降趨勢(shì)。運(yùn)算放大器、A／D轉(zhuǎn)換器及各種數(shù)字器件均廣泛采用CMOS工藝。CMOS器件具有極低功耗、高噪音容量和較寬的工作電壓范圍等許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。因此CMOS電路成為便攜式醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)采用的主要器件。3.8.2單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)1.時(shí)鐘頻率2.外圍電路的集成化3.優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)，充分利用睡眠方式3.8.3存儲(chǔ)器的低功耗設(shè)計(jì)1.HCMOS存儲(chǔ)器2.采用維持工作方式3.8.4電源的低功耗設(shè)計(jì)1.電源的分類及特點(diǎn)（1）線性穩(wěn)壓電源（2）開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源（3）電荷泵電源3.8.4電源的低功