第三章信號放大-生物醫(yī)學電子學課件

第三章生物信息處理放大是生物信息處理中的基本環(huán)節(jié)生物信息無論是直接還是間接的，大多比較微弱，甚至淹沒在噪聲中，必須用微弱信號檢測技術。微弱信號被檢測后需要經過放大后才能顯示讀出。生物醫(yī)學信號放大一、生物電信號特性一般電信號的三大特性：幅度、頻譜、信號源阻抗除掉以上三大特性外，還計及:干擾電壓、極化電壓以心電信號為例①頻譜：R波頻率稍高，可延伸到100Hz。一般對于P-R段，S-T段表現為十分之幾赫茲。0.2~100Hz。②振幅值：P波0.1mV；R波較高,1~2mV，最高到達8mV③源阻抗：指人體內阻。加上電極和皮膚接觸電阻，可達幾kΩ~幾十kΩ，甚至幾百kΩ。幅值頻譜Hz信號源阻抗KΩ極化電壓工頻干擾電壓心電0.1~8mv0.2~100100~101±

300mv數v腦電10μV~1mV1~60同上±

100mv同上皮電50μV~0.2mV1~100同上±

300mv同上肌電20μV~30mV10~3000同上±

300mv同上眼電50μV~200mVDC~20同上101mv同上胃電50μV~2mV0.001~20同上100mv同上細胞電100μV~100mVDC~104103100mv同上胎心電20μV~100μV5~60同上101mv同上二、源阻抗和極化電壓在生物電測量中的影響（一）源阻抗使生物電測量引入失真

從上式看出，通過增大放大器輸入阻抗Zi，可減小由Zs引入的失真。上式說明:由于△Zs的存在，使感應的共模信號在放大器的輸入端引入了差模電壓△Ui，其有時會淹沒被檢測的微弱的生物電信號。

如果△Zs為5k歐（典型值），對于10mv的共模干擾電壓，若打算限制在10μv以下，則放大器輸入阻抗應在5M歐以上。定量說明CMRR的下降：其中：Uco為放大器輸出端的共模電壓Uco1為放大器本身共模輸出Uc△為輸入回路引入的△Ui經放大后的輸出電壓，即：從上式看出，增大Zi，可提高CMRR。提高Ad也可提高CMRR。（二）極化電壓在生物電測量中的影響極化電壓的共模部分可略去不計；其差值部分成為一個很大的背景電壓，一般比有用的生物電信號大幾百倍到幾千倍。極化電壓直流部分可用隔直電容隔掉，但其緩變部分隔不掉，引起基線漂移。高共模抑制比CMRR減小共模干擾信號作為極性相反的差模信號被放大。而干擾作為共模信號被抑制。還需要：低噪聲低漂移合適的頻帶寬度和動態(tài)范圍。直流放大器零點漂移生物電信號中有頻率很低的成分，因此要用直流放大器。直流放大器的特點是：無論信號源與放大器的耦合，放大器級間耦合，放大器與負載的耦合，都采用直接耦合，而不是電容耦合。因此，將輸入短對地短路時候，放大器輸出端電壓也不為0，而有緩慢變化。叫直流放大器的零點漂移。溫度漂移引起零點漂移的因素有：電源電壓的變化，環(huán)境溫度的改變，元件的老化。以溫度變化所引起的零點漂移最為突出。稱為溫漂。減小溫漂的措施電路輸入級用差動式。溫漂作為共模信號被抑制。元器件的挑選。安裝工藝。參數互相配合。前一級和后一級溫漂方向可以相反，互相抵消。引入共模負反饋。不僅能抑制溫度漂移，對其他共模干擾也可抑制。集成電路放大器傳統(tǒng)的放大器是分立元件的。隨著半導體制造技術快速發(fā)展，20世紀60年代初出現了集成電路放大器。所謂集成電路就是把電路中的所有元器件及連接導線都制作在一塊硅片上，構成具有特定功能的電子電路。提高了電子設備的可靠性，重量減少，體積縮小，功耗降低。差動放大電路差動放大電路:

信號作為極性相反的差模信號被放大。而干擾作為共模信號被抑制。生物電放大器前置級通常采用差動放大電路結構。由于運放的開環(huán)放大倍數很大，輸入電阻高，輸出電阻小，為了便于分析，常將其理想化——理想運放。理想運放的條件放大倍數與負載無關。分析多個運放級聯(lián)組合的線性電路時可以分別對每個運放進行。運放工作在線性區(qū)的特點集成運放虛短路虛開路反相比例運算放大器_+

+

R2R1RPuiuoi1i2_+

+

R2R1RPuiuo電路的輸入電阻?。篟i=R1平衡電阻，使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等。電壓跟隨器_+

+

R2uiuo輸入電阻大差動放大器_+

+

R2R1R1ui2uoR2ui1解出：如果把差動輸入信號從同相側送入，則能大大提高電路的輸入阻抗?；蛘咴诓顒臃糯箅娐非凹右患壘彌_級（同相電壓跟隨器），實現阻抗變換。如圖。上述即三運放電路uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1–+AR2R2uo+uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+虛短路：虛開路：由于輸入均在同相端，此電路的輸入電阻高。uo2uo1R1R1–+AR2R2uo+Rt=f(T°C)uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtui由三運放放大器組成的溫度測量電路上述電路中第一級也可用場效應管構成。Page161放大電路例子。1.場效應管源極跟隨器。2.雙端輸入、單端輸出的差動放大器。增益可調。3.低通有源濾波器。截止頻率可調。以下參數測量：CMRR：差模增益測量將放大器輸入端一端接地，另一端輸入一中間頻率、1mv（有效值）的正弦信號。用示波器監(jiān)視輸出波形。輸出端毫伏表的指示值與輸入信號1mv的比值，就是差模增益Ad。CMRR：共模增益測量兩輸入端相連，輸入一中間頻率、1mv（有效值）的正弦信號。用示波器監(jiān)視輸出波形。輸出端毫伏表的指示值與輸入信號1mv的比值，就是共模增益Ac。計算CMRR：短路噪聲測量將輸入端接地短路。用示波器觀察輸出噪聲的蜂蜂值。在用正弦波信號輸入示波器比較，調整正弦波所占格子與噪聲相同。正弦波的大小除上差模增益，就是短路噪聲。隔離級設計為了人體安全，通常生物電測量技術采用浮地形式，以便實現人體與電氣設備的隔離。所謂浮地（或浮置），即信號在傳遞過程中，不是利用一個公共的接地點逐級的往下傳送。而是利用諸如電磁耦合或光電偶合等隔離技術。信號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，通過地線產生的漏電流被抑制。不但保障人體的安全，而且消除了地線中的干擾電流。兩種方式1.電磁耦合，經變壓器傳遞信號。2.光電耦合，用光電器件傳遞信號。使用較多。電磁耦合其原理是將與病人相連的心電放大器的前置部分完全與地絕緣，從而使得病人與大地之間沒有漏電流。保護病人安全。因為變壓器不可能傳遞低頻、直流信號。所以先通過調制電路，把低頻信號調制在高頻載波上，經過變壓器耦合，再解調，恢復信號。光電耦合輻射部件發(fā)光二極管輻射探測器為光電晶體管（如圖），也可為光電二極管。光電耦合重量輕、成本低廉，所以應用廣泛。心電放大器設計（一）心電信號源及其等效電路考慮到引線電阻對于實際情況：RB1，RB2較小，主要取決于RF,Rs。兩支路的內阻抗不平衡：各電極的極化電勢大小不一：聯(lián)系上述已講的信號源內阻和極化電壓對測量的影響（二）心電放大器輸入阻抗和頻率響應1.輸入阻抗

輸入阻抗Zi愈大，增益穩(wěn)定性愈高聯(lián)系上述已講放大器高輸入阻抗的必要性。2.頻率響應心電信號的高頻截止頻率一般定在100Hz，100Hz以上的諧波分量太小。高頻心電圖可到2KHz。低頻截止頻率一般定在， 時間常數

三、心電測量中的干擾1、50Hz磁場感應

各種儀器的電源變壓器均是50Hz磁場源，它對心電引線組成的環(huán)路可感應出電勢。1、50Hz磁場感應

設在一般病房中，50Hz的磁場感應電勢是一個差動電勢，它將與心電信號有同樣倍率的放大。因此要盡量減小其值的大小。如果心電信號為1mV，要將ξm限制在心電信號的1%以下，即

ξm<1mV/100=10μV，代入上式解出S<10/100=0.1米2，也就是32cm×32cm為了減小環(huán)路面積，可將引線相互絞合。當然高頻磁場也會引起干擾。但由于頻率遠遠高于放大器高頻截止頻率，因此可以被放大器抑制。2、50Hz電場影響 由于50Hz電線與人體及信號引線間存在分布電容，因此可以將50Hz位移電流引入人體及引線。由于大地寬廣且靠近人體，通常CD2>CD1。CD1和CD2構成了分壓電路，在放大器兩端引入了一個共模的干擾電壓共模電壓若CD1=0.2pF，CD2=2pF，則由于這個電壓過大，會超出心電放大器的輸入動態(tài)范圍，必須消除可采用右腿接地，則人體與地面間的耦合電容視作CD2=∞被短路，強迫人體處于地位。但是人體右腿接地存在接地阻抗，因此無法徹底消除50Hz共模干擾電壓右腿接地時，50Hz位移電流由引線引入的位移電流和人體引入的位移電流之分。1）引線引入的位移電流Z1和Z2為皮膚接觸阻抗，ZG為接地阻抗。50Hz差動干擾電壓50Hz共模干擾電壓例如，當ID1=ID2=6nA,Z1-Z2=5k歐，UAB=30μv同樣ZG不為0，所以UC不為0。所以右腿接地不完全消除共模干擾。由此可知，盡量使Z1=Z2，而與ID2一般是相等的，這樣差動干擾電壓UAB約等于0。另外為了減小共模干擾電壓UC，則要減小ZG。引線采用電屏蔽層，可將位移電流引入大地，而不進入人體。（2）人體引入的位移電流由于放大器的輸入阻抗很高，人體引入的位移電流只能經由接地阻抗ZG流入大地。若兩臂間有位移電流ID，則差動干擾電壓

共模干擾電壓當ID=0.1uA,Z1=Z2=400歐，Ud=80uvZL，ZR為兩臂內阻綜上，50Hz位移電流是引進50Hz差動和共模干擾的主要原因。

對于差動干擾：采用屏蔽引線使人體遠離饋電線。對于共模干擾：認真清理和濕潤皮膚表面或涂上導電膠，降低皮膚接觸阻抗和不平衡程度。接地良好，減小接地阻抗，從而抑制共模干擾肌電干擾肌電信號是由于信號伸縮時，肌肉細胞產生的復合電位。而人體各部位運動常是不規(guī)則的。因此對于心電信號，肌電是隨機干擾信號。為消除肌電干擾，被測試者要安靜舒適地躺在臺上，呼吸也要求平緩，盡可能使肌肉處于靜息狀態(tài)，以減小動作電位。（四）放大器共模抑制比抑制共模干擾，方法有兩種1）提高CMRR。2）右腿共模反饋法。CMRR的提高增大Zi提高Ad(除了上述源阻抗以外，分析差動電路電阻失配的影響）共模干擾電壓引線屏蔽層差動電路電阻失配對CMRR的影響為失配度CMRR隨著電阻失配度的增大，CMRR下降。而提高Ad則可增大CMRR。引線屏蔽層與芯線間的電容Cs1,Cs2。大約為200-300pF,在50Hz下容抗為幾個兆歐，與放大器輸入阻抗大小接近。若接地，Cs1,Cs2的分流效應明顯減小放大器輸入阻抗。此外，分流效應不均衡，將使得放大器CMRR大大下降。若不接地，而用取自放大器的反饋共模電壓來驅動引線屏蔽層。則Cs1,Cs2兩端均承受共模電壓Uc，結果使Cs1,Cs2對共模電壓不產生分流效應。如下圖。2、右腿共模反饋前面已講述，雖然右腿接地了，但由于接地阻抗ZG的存在，還不能完全消除共模電壓Uc如果設法將輸入至心電放大器的共模電壓倒相后反饋至右腿，以抵消右腿上的共模電壓Uc，結果可消除Uc。如下圖。四個電極的平均電壓，即人體共模干擾電壓。通過反相，加到人體右腿。與人體共模干擾電壓相抵消。濾波器濾波器的功能：對頻率進行選擇,過濾掉噪聲和干擾信號，保留下有用信號。1.按信號性質分類3.按電路功能分類:

低通濾波器；高通濾波器；帶通濾波器；帶阻濾波器2.按所用元件分類模擬濾波器和數字濾波器無源濾波器和有源濾波器4.按階數分類:

一階，二階…高階濾波器傳遞函數：幅頻特性相頻特性濾波器傳遞函數的定義RCR1.一階RC低通濾波器(無源)傳遞函數幅頻特性一.低通濾波器010.707

0截止頻率此電路的缺點：1、帶負載能力差。2、無放大作用。3、特性不理想，邊沿不陡。幅頻特性、幅頻特性曲線RR1RFC+-+2.一階有源低通濾波器RC傳遞函數中出現

的一次項,故稱為一階濾波器幅頻特性：RR1RFC+-+幅頻特性及幅頻特性曲線01+RF/R10.707(1+RF/R1)

0傳遞函數RC1、時：有放大作用3、運放輸出，帶負載能力強。2、時：幅頻特性與一階無源低通濾波器類似電路特點:3.二階有源低通濾波器RR1RFC+-+CRP，A0=1+RF/R1傳遞函數中出現

的二次項,故稱為二階濾波器，幅頻特性曲線二.高通濾波器RR1RFC+-+高通1.一階有源高通濾波器幅頻特性及幅頻特性曲線幅頻特性：

0

01+RF/R10.707(1+RF/R1)

0RR1RFC+-+2.二階有源高通濾波器由此繪出頻率響應特性曲線

(1)通帶增益(2)頻率響應其中：，頻率響應特性曲線

可由低通和高通串聯(lián)得到必須滿足低通特征角頻率高通特征角頻率三.有源帶通濾波器可由低通和高通并聯(lián)得到必須滿足有源帶阻濾波器有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應的放大器。心電放大濾波器1、50Hz有源帶阻濾波器在心電放大器中是用于抑制50Hz市電的干擾。阻容元件按下式匹配：調節(jié)電位器P，可改變?yōu)V波器的Q值。即右圖所示頻響曲線的平坦程度。實線為高Q值用帶阻濾波器，不僅濾去了50Hz干擾，也使得R波失真。設計時不輕易使用。2、有源帶通濾波器