生物醫(yī)學(xué)信號放大器.ppt

1、1,第三章 生物醫(yī)學(xué)常用放大器,從人體獲得的生物醫(yī)學(xué)信號，再經(jīng)過濾波、放大、顯示等一系列處理過程，才能為醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷提供可靠的客觀依據(jù)。 本章在前面放大電路基本原理的基礎(chǔ)上，首先介紹生物電信號特點(diǎn)、頻譜及常用的幾種濾波電路，然后重點(diǎn)討論負(fù)反饋放大器、直流放大器的工作原理及特點(diǎn)，最后簡述功率放大器。,2,第一節(jié) 生物醫(yī)學(xué)信號的特點(diǎn)及頻譜 第二節(jié) 常用濾波電路 第三節(jié) 負(fù)反饋放大器 第四節(jié) 直流放大器 第五節(jié) 功率放大器,主要內(nèi)容,3,第一節(jié) 生物醫(yī)學(xué)信號的特點(diǎn)及頻譜,攜帶生物信息的信號稱為生物信號。其中生物電信號是由于人體內(nèi)各種神經(jīng)細(xì)胞自發(fā)地或在各種刺激下產(chǎn)生和傳遞的電脈沖，肌肉在進(jìn)行機(jī)械

2、活動時也伴有電活動所產(chǎn)生的信號，如心電、腦電、肌電等。非生物電信號是由于人體各種非電活動產(chǎn)生的信號，如心音、血壓波、呼吸、體溫等。醫(yī)學(xué)中還常通過在人體上施加一些物理因素的方法來獲得生物信號，如各種阻抗圖，它以數(shù)十千赫交流電通過人體的一定部位，獲得阻抗或?qū)Ъ{變化的波形圖；又如超聲波診斷儀器，它向人體發(fā)射脈沖式的超聲波，通過回波方式獲得的生物信號。另外還有通過在體外檢測人體樣品的儀器、生理參數(shù)遙測儀器和放射性探測儀器等獲取的生物信號。上述諸多的生物信號被統(tǒng)稱為生物醫(yī)學(xué)信號。,4,5,生物電信號的頻帶主要在低頻和超低頻范圍內(nèi)，各種生物電中包含了頻率很低的成分。在第二章中介紹的阻容耦合多級放大器很難通

3、過這種頻率的信號，所以本章將介紹適應(yīng)這種頻率特點(diǎn)的直流放大器。 通常生物電信號的幅度較低，只有毫伏級甚至微伏級，而普通的電子元件的噪聲相當(dāng)于數(shù)微伏無規(guī)則電壓，為了使生物電信號不被噪聲淹沒，放大器的前級必須選用高質(zhì)量的電阻和電容，低噪聲的場效應(yīng)管，電源也要采取特殊穩(wěn)定的措施。,一. 生物電信號的特點(diǎn)及其放大器,6,另外生物電信號的整個頻帶中要求放大器的放大倍數(shù)穩(wěn)定、均勻，在信號幅度范圍內(nèi)具有良好的線性。對于生物電放大器來講，電壓放大倍數(shù)一般都較高。放大倍數(shù)越高，保持穩(wěn)定就越困難。為了使輸出波形不失真，必須采取一定的電路技術(shù)，如負(fù)反饋放大技術(shù)。,7,生物體的阻抗很高，這意味著生物信號源不僅輸出電壓

4、幅度低，而且提供電流的能力也很差，因此要求生物電放大器的前級必須具有很高的輸入阻抗，以防止生物電信號的衰減，但高輸入阻抗易引入外界干擾，特別是市電50Hz的干擾，為了提高放大器輸入信噪比，常常加入50Hz陷波器。,8,生物電信號的信噪比較低，這是由于生物體內(nèi)各種無規(guī)律的電活動在生物電信號中形成噪聲，有些生物電信號被其他更強(qiáng)的電活動所淹沒，如希氏束電圖H波，只有110V，比心電信號弱得多，再有胎兒心電信號的幅度約為5V，比母體心電信號弱很多，使噪聲電壓超出生物電信號電壓。當(dāng)無用信號掩蓋了有用信號時，提取這些電信號就需要借助于微弱信號檢測技術(shù)。,9,總之，為適應(yīng)生物醫(yī)學(xué)信號頻率較低且頻帶較寬、阻抗

5、較高且幅度較低和信噪比較小的特點(diǎn)，必須選用低截止頻率、高輸入阻抗和放大倍數(shù)穩(wěn)定的放大器。,10,二. 生物醫(yī)學(xué)信號的頻譜,實(shí)際的信號波形是很復(fù)雜的，大多不是正弦波，但借助頻譜分析的方法，這種非正弦式周期波形可以被分解為數(shù)目足夠多的，幅度不同、頻率不同、初位相不同的正弦波。,11,周期性波形的頻譜 非正弦式周期波形包含多種頻率的正弦波成分。用數(shù)學(xué)表達(dá)為： 式中當(dāng)n=1時，fn為f1，是非正弦式周期波的重復(fù)頻率，稱為基頻。此頻率的正弦波稱為基波，其它正弦波的頻率fn都是基頻的整數(shù)倍，稱為n倍頻，相應(yīng)的正弦波為n次諧波。,12,以頻率為橫軸，振幅為縱軸，在橫軸上找到所有振幅不為零的正弦波的頻率并引出

6、垂線，其長度表示相應(yīng)的振幅an，這種圖稱為振幅頻譜，也常簡稱為頻譜(spectrum)。而an2組成功率頻譜，簡稱為功率譜。各種頻率成分的初位相聲。組成的位相譜，稱為位相頻譜。,13,基波和二次諧波的振幅相同，初位相為零。,基波和二次諧波的振幅相同，但二次諧波的初位相為/2。從下面的位相頻譜圖中可以看到。,14,2. 脈沖波形的頻譜 在電子學(xué)中把在時間上短促的波形稱為脈沖(impulse)。單個孤立的波形可以用一系列正弦波的疊加來組成，頻率可取連續(xù)值，且具有連續(xù)頻譜。連續(xù)頻譜的波形疊加用積分式表達(dá)為： 式中Af和f分別為振幅和位相頻譜。,15,矩形脈沖的寬度為 ，高度為1，面積為1。波形的中點(diǎn)

7、在時間坐標(biāo)t的零點(diǎn)。 頻譜的橫坐標(biāo)按照f劃分，頻率以1/為單位，其振幅頻譜有正負(fù)振幅不斷擺動，且延伸很遠(yuǎn)，范圍與1/ 成正比。,16,鐘罩形波， 為波形下降到最大值的0.6065所需時間，1/(2 f)為脈沖的高度，面積為1。它的頻譜很平滑。,17,由這兩個脈沖的頻譜圖可見：脈沖愈寬，愈平滑，則頻譜范圍愈窄；相反，波形愈陡峭所含諧波愈多，頻譜范圍愈寬，特別是突然變化的脈沖波形更是如此。 如人體動脈壓力波形比較平滑，根據(jù)頻譜分析大約含有10個諧波，而心電波形，因它含有比較陡的R波，故大約含有3060個諧波。,18,高頻脈沖：即振幅隨一個脈沖波形變化的高頻振蕩。圖(a)表示振幅隨一脈沖波形變化的高

8、頻振蕩，圖(b)是它的頻譜，可以從原先脈沖的頻譜得到。把原先脈沖的頻譜對稱地向負(fù)頻率側(cè)延伸，然后向右移動f0的距離，就得到。 可見，高頻脈沖的頻譜形狀是由脈沖頻譜決定的，高頻脈沖的頻譜位置是高頻振蕩頻率來決定。,19,在對生物體的一切生物醫(yī)學(xué)信號進(jìn)行分析時，如心電分析、腦電分析和脈波分析，常利用頻譜分析手段，從中提取有用的生物信號作為臨床診斷的依據(jù)。,20,第二節(jié) 常用濾波電路,根據(jù)生物醫(yī)學(xué)信號特點(diǎn)的分析，以及生物電信號進(jìn)入放大器前還要混入干擾的具體情況，一般在放大器等處理裝置前加有濾波器。 所謂濾波器就是一種使有用信號順利通過，而使無用信號被消除或衰減的電子電路。在濾波電路中必須包括與頻率有

9、關(guān)的元件如電容和電感。生物醫(yī)學(xué)儀器中的濾波電路，通常由電容器和電阻器組合而成。,21,在濾波理論中，通常把能夠通過的信號頻率范圍定義為通帶，而把消除或衰減的信號頻率范圍定義為阻帶。通帶和阻帶的界限頻率，包括下限頻率和上限頻率。 具體電路有高通和低通濾波，帶通和帶阻濾波，雙T濾波和50Hz陷波等。,22,一. 高通濾波,高通濾波只允許信號中高頻成分順利通過，且衰減很小，而消除或減弱低頻噪聲。電壓傳輸函數(shù)為：,23,式中，URf是uR中頻率為f的交流成分的有效值，Uf是電路中頻率為f的總電壓的有效值。 輸出電壓URf比總電壓有效值Uf超前一位相R。,24,濾波特點(diǎn)： (1)當(dāng)頻率很低時，f 1，T

10、f=1，高頻成分能順利通過，且位相也不改變。 (3) fL=1/ 2RC為下限頻率，通頻帶為fL。 (4)在阻容耦合放大器中，級間用RC電路耦合信號從電阻兩端輸出，同時也起到高通濾波的作用。,25,二. 低通濾波器,與高通濾波器相反的低通濾波器，只允許信號中的低頻成分順利通過，且衰減很小，進(jìn)而達(dá)到消除或減弱混在信號中的高頻噪聲的目的。其電路的電壓傳輸函數(shù)為：,26,式中，UCf是uC中頻率為f的交流成分的有效值，Uf是電路中頻率為f的總電壓的有效值。 輸出電壓UCf比總電壓有效值Uf超落后一位相c 。,27,濾波特點(diǎn)： (1)當(dāng)頻率很低時，f/fH1，Tf=0，高頻成分被衰減，有低通的作用。

11、(3) fH=1/ 2RC為上限頻率，通頻帶為0fH。 (4)共發(fā)射極電路中的電流放大系數(shù)隨頻率變化的關(guān)系式表明，晶體管也有低通濾波的作用。,28,三. 帶通濾波,帶通濾波器就是只允許通過一個頻帶中的信號成分，在這個頻帶之外的信號成分則被衰減。其電路由高通濾波和低通濾波共同組合而成，頻率特性如圖所示，fH-fL為其通頻帶的范圍。 電路的重要參數(shù)是品質(zhì)因數(shù)Q，定義為：,29,(1) 當(dāng)Q值低時，此電路的選頻本領(lǐng)小，允許較寬的頻帶范圍的生物醫(yī)學(xué)信號通過，稱寬帶濾波。 對于生物醫(yī)學(xué)放大器中經(jīng)常遇到數(shù)十千赫以下的低頻信號，電阻和電容就可以組成帶通濾波器，最簡單的低頻寬帶(低Q值)濾波器可由高通和低通濾

12、波器共同組合而成，其允許通過的頻帶由fL和fH決定。,30,(2) 當(dāng)Q值高時，此電路稱為選頻電路，其選頻本領(lǐng)大，只允許較窄頻率范圍的信號通過，稱窄帶濾波 。 對于數(shù)兆赫以上高頻信號，只有用電阻、電容和電感結(jié)合起來才能組成高頻窄帶(高Q值)濾波器，而對低頻生物醫(yī)學(xué)信號只有電阻、電容和放大器結(jié)合起來，才能組成低頻窄帶(高Q值)的濾波器。,31,四. 帶阻濾波,帶阻濾波只選擇性的衰減一個頻帶內(nèi)的信號，而在這個頻帶范圍之外的信號成分都可無衰減的通過。其電壓傳輸系數(shù)如圖3-8所示。,32,高Q值帶阻濾波器，稱選頻電路，也稱陷波器。 雙T選頻電路，由高通濾波和低通濾波組合而成的。信號輸入中的低頻成分可以

13、從上通道(既低通濾波器)傳輸，而高頻成分可以從下通道(即高通濾波器)傳輸，而對于信號中的中間頻率成分，上下兩通道均可以通過，其中通過低通濾波器傳輸出來的電壓位相落后，通過高通濾波器傳輸出來的電壓位相超前，它們再分別經(jīng)過電阻和電容兩路傳輸出來的，電壓位相差更大，,在某個適當(dāng)?shù)闹虚g頻率下，兩路輸出電壓幅度相等，且位相相反，輸出總電壓為零，起到了使這個中間頻率的信號被衰減的作用，即有陷波作用。,33,中間頻率即陷波頻率f0和Q值，經(jīng)理論證明分別由上式給出。 中間頻率不受負(fù)載影響。當(dāng)接上負(fù)載后，Q值一般比輸出端開路時要低。另外，由于電阻和電容總有些誤差，各個電阻和電容不能嚴(yán)格保持圖中標(biāo)示的比值(或等值

14、)，在中間頻率處的傳輸系數(shù)將不等于零。因而品質(zhì)因數(shù)也低于理論值。,34,這個電路在生物醫(yī)學(xué)放大器中，常將f0選為50Hz，用來濾掉50Hz的市電干擾，稱50Hz陷波器。 實(shí)際應(yīng)用中希望Q值很高，只對50Hz波有陷波作用，但上面電路的品質(zhì)因數(shù)太小，很難達(dá)到要求。只有與放大器組合起來，才能提高選頻能力，即達(dá)到高Q值，這種高Q 值的濾波器稱為有源濾波。以上濾波器均為無源濾波器。,35,第三節(jié) 負(fù)反饋放大器,一.反饋的基本概念和分類 反饋(feedback)就是把一個系統(tǒng)的全部或部分輸出信號通過某種環(huán)節(jié)，送回到輸入端。 在電子學(xué)中反饋一般是通過跨接在輸入端和輸出端之間的性能比較穩(wěn)定的線性元件，如電阻來

15、完成。 將放大器的輸出電壓或輸出電流的一部分或全部送回到輸入端，與輸入信號疊加后再送入放大器中，如圖3-10所示。,36,圖中ui為輸入信號，uo為輸出信號，uf為反饋信號，K0為放大器的放大倍數(shù)，F(xiàn)為反饋系數(shù)(feedback coefficient)，它等于反饋信號與輸出信號之比，即F=uf/uo，ui為ui與uf合成之后的實(shí)際輸入信號。,37,從反饋信號與原輸入信號的相位關(guān)系來看：當(dāng)反饋信號與原輸入信號同相位時，即加強(qiáng)了輸入信號，使放大倍數(shù)提高，這種反饋稱為正反饋(positive feedback)。反之，當(dāng)反饋信號與原信號反相位時，即減弱了輸入信號，稱負(fù)反饋(negative fee

16、dback)。 正反饋雖然可以提高放大倍數(shù)，但失真度大，頻帶變窄，嚴(yán)重的甚至?xí)鹫袷?，使放大器無法工作，所以在放大器中一般不采用正反饋，而在振蕩器中則需要利用正反饋。,38,關(guān)于負(fù)反饋的方式，從反饋信號與輸出電壓或輸出電流成正比的關(guān)系來看：當(dāng)反饋信號與輸出電壓的大小成正比時，稱電壓負(fù)反饋；與輸出電流大小成正比時，稱電流負(fù)反饋。 從反饋信號與輸入信號的連接方式來看：當(dāng)反饋信號與輸入信號是串聯(lián)在一起控制輸入信號電壓大小的，稱為串聯(lián)負(fù)反饋；與輸入信號是并聯(lián)在一起控制輸入信號電流大小的，稱為并聯(lián)負(fù)反饋。歸納起來，負(fù)反饋共有四種方式，即電流串聯(lián)負(fù)反饋、電壓串聯(lián)負(fù)反饋、電壓并聯(lián)負(fù)反饋、電流并聯(lián)負(fù)反饋。,

17、39,二. 幾種負(fù)反饋電路,電流串聯(lián)負(fù)反饋 在分壓式電流負(fù)反饋偏置電路中，RE對直流起負(fù)反饋?zhàn)饔茫怪绷鞴ぷ鼽c(diǎn)穩(wěn)定。 若RE上的電容CE去掉，則RE對交流也有負(fù)反饋?zhàn)饔谩?40,當(dāng)輸入信號為正極性時，基極電勢升高，基極電流和射極電流都增加。由于射極電流通過RE，使射極電位升高，且射極電流基本等于輸出的集電極電流，所以射極電阻RE上電壓與輸出電流成正比，射極電阻為反饋電阻，它上面的反饋電壓串聯(lián)在基極信號的電壓上，使晶體管基極所加電壓變化量減少，故RE引起的反饋屬于電流串聯(lián)負(fù)反饋。,RE,41,電阻RE的阻值可認(rèn)為比較穩(wěn)定，即隨溫度變化較小，而晶體管rbe和的分散性很大，即使是同一型號的同一批產(chǎn)品

18、也有很大差別，其差別大約在標(biāo)準(zhǔn)值的0.72倍之間，且隨溫度而變化。除此之外，rbe還隨電流變化，比較gF和g0可見，雖然gF小些。但更穩(wěn)定和準(zhǔn)確。,42,放大器接入負(fù)載電阻RL后，電壓放大倍數(shù)KF要小，但KF穩(wěn)定性好，且可以通過電阻值精確計算。 放大電路由于某種原因如晶體管參數(shù)變化造成輸出電流變化，當(dāng)加入電流負(fù)反饋后，可發(fā)生如下反饋過程： 說明不管是串聯(lián)還是并聯(lián)負(fù)反饋，只要是電流負(fù)反饋都具有穩(wěn)定輸出電流的作用，即放大器具有恒流輸出的特性，當(dāng)放大器的輸出電阻比負(fù)載電阻大得多時，即使負(fù)載變動時輸出電流的變化也不會很大，所以說電流負(fù)反饋使放大器的輸出電阻增大。,43,輸入電壓為ui、輸入電流為ib時

19、，輸入電阻為ri由rbe增加了 (+1)RE。即為 ri=rbe (+1)RE 若考慮到信號源還向RB1、RB2供應(yīng)電流，放大器的總輸入電阻應(yīng)是 RB1/RB2/ri。 沒有RE時，放大器的總輸人電阻只是RB1/RB2/rbe，可見，串聯(lián)負(fù)反饋顯著地提高放大器的輸入電阻。,44,2.電壓串聯(lián)負(fù)反饋 圖示電路中，集電極成為交流信號的輸入與輸出的公共端。故該電路是共集電極放大電路。 其中RE為反饋電阻，RE上的電壓既是反饋電壓也是該電路的全部輸出電壓uo。在輸入回路中，RE上的反饋電壓與加在晶體管基極上的輸入信號電壓是串聯(lián)關(guān)系，它們相加的結(jié)果是使基極上輸入電壓的變化量相應(yīng)減少，故RE引出的反饋屬于

20、電壓串聯(lián)負(fù)反饋。,45,可見這個電路的電壓放大倍數(shù)略小于1，而且輸出電壓與輸入電壓位相相同，輸出電壓跟隨著輸入電壓變化，所以電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路稱為射極跟隨器，簡稱射跟器(follower)。 此電路雖然不能對輸入信號電壓進(jìn)行放大，但輸出電流卻遠(yuǎn)比基極輸入電流大。其功率放大倍數(shù)為 Kp=p0/pi+1 故有放大電流和放大功率的作用。,46,當(dāng)信號源內(nèi)阻Rs0的條件下，加入電壓負(fù)反饋可發(fā)生下列反饋過程：放大電路中由于RL的減小而使輸出電壓Uo減小，If=Uo/RF，所以If也減小，反饋量減小使輸入電流Ib增加，IC也相應(yīng)增加，從而牽制了Uo的減小，使輸出電壓基本維持恒定。,47,上面的反饋過程說明

21、，不管是串聯(lián)還是并聯(lián)負(fù)反饋，只要是電壓負(fù)反饋都具有穩(wěn) 定輸出電壓的作用，即有恒壓輸出的特性；在放大器的輸出電阻很小的條件下，即使 負(fù)載變化了，輸出電壓變化也不會太大，因?yàn)榇藭r放大器的輸出電阻上壓降很小，可見 射極跟隨器的輸出電阻很小，所以說電壓負(fù)反饋使放大器的輸出電阻減小。,48,根據(jù)放大器輸入電阻定義，輸入電阻ri為： 若不考慮RBl、RB2的分流作用，電路的輸入電阻由上式?jīng)Q定，可見電壓串聯(lián)負(fù)反饋增加了輸入電阻。,49,電壓串聯(lián)負(fù)反饋有很高的輸入電阻，對生物醫(yī)學(xué)信號的測量有重要意義。因?yàn)樽鳛樾盘栐吹纳矬w內(nèi)阻很高，與生物體相連的放大器必須有高輸入電阻，才能減少信號電壓的損失，進(jìn)而提高信噪比。

22、 由于電壓串聯(lián)負(fù)反饋有高輸入電阻、低輸出電阻，所以在電子電路中，經(jīng)常作為阻抗轉(zhuǎn)換裝置，相當(dāng)于變壓器作用，插在各級放大器中以及信號源與放大器間的連接處。此外為了彌補(bǔ)晶體管本身輸入電阻低的不足，在醫(yī)學(xué)上廣泛應(yīng)用源極跟隨器。 但源跟器帶負(fù)載能力仍較小，所以主要用于放大器的前級，作為高內(nèi)阻信號源和前級放大器的阻抗轉(zhuǎn)換器。,50,3. 電壓并聯(lián)負(fù)反饋 ui和ii增加時，ib的增加導(dǎo)致uo下降，RF上電流if由A點(diǎn)流出?？梢?，信號源流向基極的電流總是被反饋電流分流出一部分，在A點(diǎn)if是與流向基極的輸入電流是并聯(lián)關(guān)系。ib總是小于ii，另外if大小基本與輸出電壓大小成正比。故稱RF引出的反饋屬于電壓并聯(lián)負(fù)反

23、饋。 除此之外當(dāng)Rs=0時，ii與if無關(guān)，反饋信號將不起作用；Rs0且很大時，則反饋影響最大。,51,該電路中信號源提供的電流被反饋電流分流一部分，所以基極電流實(shí)際發(fā)生的改變較小，輸出電壓較小，這使放大倍數(shù)降低。電壓并聯(lián)負(fù)反饋與電壓串聯(lián)負(fù)反饋一樣都能使放大器的輸出電阻減小。同時，因有反饋支路的存在，信號源提供的電流是ii=ibe+if，比沒有負(fù)反饋時增加If量，即信號源提供的電流變大，相當(dāng)于放大器的輸入電阻減小。 RF在直流狀態(tài)時還具有穩(wěn)定工作點(diǎn)作用，例如溫度升高時，和ICEO增大，即IC增大，這時Uo下降，偏流減少，這就使IC回降，維持工作點(diǎn)穩(wěn)定。,52,三. 負(fù)反饋對放大器性能的改善,放

24、大器加進(jìn)負(fù)反饋環(huán)節(jié)，雖然削弱了輸入信號，使放大倍數(shù)減小了，但是卻使放大電路的很多性能得到了改善。 使放大倍數(shù)更穩(wěn)定，通頻帶加寬，放大器非線性失真變小，同時也改變了輸入電阻和輸出電阻。,53,放大倍數(shù)更穩(wěn)定 基本放大器的放大倍數(shù)為K0，包括負(fù)反饋電路在內(nèi)的整個負(fù)反饋放大器的放大倍數(shù)為KF，表達(dá)示如下所示： 式中K0F的大小決定了KF值的大小，稱K0F為負(fù)反饋深度，它的數(shù)值越大，KF就越小，即說明負(fù)反饋的作用就越強(qiáng)。,54,在具有深度負(fù)反饋時，K0F1時，KF=1/F，這說明在具有深度負(fù)反饋時，電壓放大倍數(shù)KF完全由負(fù)反饋電路參數(shù)決定，而與晶體管參數(shù)無關(guān)。由此排除了放大倍數(shù)受晶體管參數(shù)的分散性、晶

25、體管參數(shù)由于長期使用時發(fā)生變化而造成的影響。,55,因負(fù)反饋電路通常由電阻組成，所以使放大倍數(shù)穩(wěn)定而且能精確計算和控制，基本不受外界的影響。 如果某些原因使輸出信號減小，則反饋信號也減小，使凈輸入信號增大，通過負(fù)反饋對輸入端信號進(jìn)行修正，由此牽制了輸出信號的減小，使放大器比較穩(wěn)定的工作，其中電流負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電流，電壓負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電壓。,56,2. 通頻帶加寬 頻帶的限制是由于放大器在不同頻率上放大倍數(shù)發(fā)生變化而造成的。而在加入負(fù)反饋后，排除了放大倍數(shù)與放大器中與頻率有關(guān)因素的影響。這樣可以使負(fù)反饋放大器的放大倍數(shù)在很寬的頻率范圍內(nèi)都與頻率無關(guān)。放大倍數(shù)在很寬的頻率范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，所以頻帶就

26、展寬了。,57,3. 非線性失真變小 由于晶體管的非線性，如果工作點(diǎn)選擇不合適，或輸入信號太大，都會造成輸出信號失真。如果能控制輸入信號使其比較小，失真的可能也就小些，工作點(diǎn)的位置選擇范圍也可適當(dāng)放寬一些。加進(jìn)負(fù)反饋，使信號的電壓或電流被反饋抵消一部分，達(dá)到能控制輸入信號并使其比較小的目的，所以可以減少非線性失真。,如上圖所示，也可以解釋為負(fù)反饋技術(shù)是利用失真了的波形來改善波形的失真。,58,1. 串聯(lián)反饋使電路的輸入電阻增大：,2. 并聯(lián)反饋使電路的輸入電阻減?。?3. 電壓反饋使電路的輸出電阻減小：,4. 綜合上面三種負(fù)反饋,4. 電流反饋使電路的輸出電阻增加：,59,在實(shí)際應(yīng)用中電阻要產(chǎn)

27、生熱噪聲，從而降低了放大器的信噪比，所以反饋環(huán)節(jié)的電阻不宜太大。 在放大電路中還存在著在線路圖上看不出來的反饋環(huán)節(jié)，如電源寄生反饋，它主要是后級的輸出電流通過電源，由于電源總有些內(nèi)阻，當(dāng)后級的輸出電流改變時，使電源電壓也隨之改變，這個改變量作用到前級上，導(dǎo)致反饋，且常常成為正反饋。這種寄生反饋不僅影響放大器性能，而且當(dāng)正反饋過大時，還可使放大器變成振蕩器，不能正常工作。,60,解決的方法可以采用：其一，另外加一個電源，以供給最后一級的輸出電流。其二是增加低通濾波器，稱之為電源退耦電路，濾掉電源電壓波動。 在電路中除電源的寄生反饋以外，還有線路之間存在的分布電容，由于它的影響，高頻信號都有位相的

28、變化，使某些頻率上的負(fù)反饋轉(zhuǎn)變成正反饋，最后導(dǎo)致正反饋過大，放大器因發(fā)生高頻振蕩而不能正常工作。,61,負(fù)反饋類型的判別法： (1)用瞬時極性法來判別正、負(fù)反饋； (2)用輸出短路法來判別電壓、電流反饋； (3)用反饋信號在輸入端連接方式，來判別是串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋；,62,第四節(jié) 直流放大器,各種生物電信號中包含了頻率很低的成分，在胃液壓力和pH的測量中還會遇到很多不變化或慢變化信號。 這些直流或接近直流的慢變化信號不能用阻容耦合放大器進(jìn)行放大，因此需要頻帶從零開始的直流放大器。 直流放大器有直接放大和調(diào)制放大兩種。,63,直流放大器面臨兩個問題：一是各級直接耦合時沒有隔直電容，直流電壓相

29、互不能隔離，使前、后級的靜態(tài)工作點(diǎn)互相影響。二是零點(diǎn)漂移問題。當(dāng)輸入為零而輸出不為零，且輸出電壓值在零點(diǎn)附近上下漂動且具隨機(jī)性，這種現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移(zero drift)。,64,造成零點(diǎn)漂移是由于元件的老化、電源電壓的波動、特別是晶體管的參數(shù)隨溫度而變化等多種原因造成的。零點(diǎn)漂移引起輸出電壓的變化與被放大的有用信號無法區(qū)別開，對于直流放大器，前級引起的零點(diǎn)漂移電壓，被后級放大，最后將掩蓋正常輸出。而差動放大器是克服零點(diǎn)漂移和抑制外界干擾的直流放大器的主要電路形式。,65,一. 直流放大器的級間耦合,1. 后級接發(fā)射極電阻RE 此時T2管的基射電壓等于T1的集射電壓減去RE上的電壓。只要適當(dāng)

30、的選擇RE的阻值，可使T1管和T2管都有合適的工作點(diǎn)，都工作在放大區(qū)，但RE的接入將產(chǎn)生電流負(fù)反饋，使第二級的放大倍數(shù)下降。且RE值還逐級增大，電流負(fù)反饋逐漸加深，使放大倍數(shù)依然很小。,66,2.后級發(fā)射極接二極管或穩(wěn)壓二極管 當(dāng)二極管加上正向電壓或穩(wěn)壓二極管加上反向偏置電壓時，流過它們的電流在一定范圍內(nèi)變化時，二極管兩端的電壓基本不變。用二極管的壓降代替RE的電壓，可以保證T2管有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，且因二極管的交流電阻很小，所以電流負(fù)反饋?zhàn)饔煤苄?，從而可使電路的放大倍?shù)降低較小。,67,3輔助電源法 上述方法解決了級間電位的耦合問題。為了得到較大的電壓放大倍數(shù)，一般采取多級放大器，在共發(fā)射極

31、放大電路中，每級集電極電位都高于基極電位。結(jié)果使輸出電位不斷上升，在一定電源電壓下，能夠輸出的電壓幅度下降，所以必須采取相應(yīng)措施補(bǔ)償直流電位的偏移。 前級集電極用兩個電阻R1、R2連接在一個負(fù)的輔助電源上，然后電阻R1、R2的連接點(diǎn)與后級基極連接起來。只要電阻選擇合適，各級都可以有適當(dāng)工作點(diǎn)，但信號經(jīng)分壓傳輸會造成一些損失。,68,4.交替使用互補(bǔ)管 為了解決信號的損失，利用電源極性不同的互補(bǔ)管PNP與NPN聯(lián)合使用，可保證各級有合理的工作點(diǎn)。 利用PNP型晶體管集電極電位比基極電位低，克服NPN型晶體管集電極電位逐級提高而造成的輸出電位降低的缺點(diǎn)。 RC可選擇較大數(shù)值，使輸出電壓有較大的變化

32、范圍。采用此種辦法可省去輔助電源，應(yīng)用較多。,69,二. 差分放大器,1. 差分放大器 差分放大器(differential amplifier)又稱差動放大器，由兩個完全對稱的共發(fā)射放大電路組成，兩個晶體管參數(shù)相同，兩側(cè)集電極電阻相等，兩側(cè)基極電阻也相等。,70,信號從兩管基極輸入(稱雙端輸入)，從兩管的集電極輸出(稱雙端輸出)，而且對輸入信號的要求是：兩個基極輸入信號大小相等，位相相反，稱差模輸入。 當(dāng)沒有輸入信號電壓時，電路中由于溫度變化，引起兩個晶體管集電極電流和集電極電壓相同的變化。如果將這兩管的輸出量折合到輸入端，就相當(dāng)在兩個管的輸入端分別加上大小相等，極性相同的輸入信號，稱為共模

33、輸入(common-mode input)，而輸入的信號稱為共模信號(common-mode signal)。,71,在實(shí)際電路中共模信號就是干擾或者是不需要的信號，它的來源還可以由外部兩條同樣的信號線上感應(yīng)出來。當(dāng)由兩管集電極輸出時，即取差輸出，理想情況下，兩路的共模信號電壓相同，經(jīng)過取差，輸出電壓為零，即沒有輸出。在實(shí)際電路中，兩個電路很難完全對稱，兩路集電極輸出電壓不同，故還是有一些輸出uod，此時放大倍數(shù)表達(dá)式為： KC為差分放大器的共模電壓放大倍數(shù)，uC為共模輸入電壓，可見共模放大倍數(shù)愈小愈好。,72,當(dāng)輸入端上加一信號電壓uid時，T1管和T2管的基極上分別加上ui1=uid/2和

34、ui2=-uid/2，輸入電壓大小相等相位相反，稱差模輸入(differential input)。由于兩管參數(shù)完全對稱，兩管對輸入信號具有同樣放大作用，T1、T2管輸出電壓分別為： 從兩個集電極間輸出電壓為： 因?yàn)椴顒臃糯笃鞯姆糯蟊稊?shù)Kd定義為uoduid，故可得 式中RC、rbe、可為電路任一側(cè)參數(shù)，差模輸入信號是所要放大的有用信號，因此差模放大倍數(shù)愈大愈好。,73,2.差分放大器的改進(jìn)型 (1)具有射極公共電阻的差動放大器 RE對差模信號無電流負(fù)反饋?zhàn)饔?，只對共模信號有電流?fù)反饋?zhàn)饔茫绠?dāng)溫度變化引起一系列反饋過程如下：,74,(2) 帶恒流源的差分放大器 恒流源的動態(tài)電阻可以看成是無限

35、大，對共模干擾的負(fù)反饋加大，采用恒流源以后，能很好的抑制共模信號干擾，因此，在理想情況下，即使兩側(cè)電路稍有不對稱，共模放大倍數(shù)也等于零；但在一般情況下，共模放大倍數(shù) 很難為零。這是因?yàn)殡娐分袃蓚?cè)晶體管的參數(shù)，以及電路相對應(yīng)的電阻不完全一致。,75,3. 共模抑制比CMRR 為了說明差動放大器對共模信號的抑制能力，常用共模抑制比(common-mode rejection ratio)來表示，定義為差模電壓放大倍數(shù)和共模電壓放大倍數(shù)之比，即 CMRR=KdKC 共模抑制比CMRR也常用分貝表示，規(guī)定為：20lgKdKC。,76,在理想情況下，電路中兩側(cè)相對應(yīng)的元件參數(shù)完全相同，所以CMRR為無窮

36、大。但在一般情況下，相應(yīng)的元件各參數(shù)不可能完全一致，尤其是在溫度變化情況下，更不可能完全相同。 克服電路兩側(cè)不完全對稱的缺點(diǎn)，通常把T1和T2的射極接到一個阻值很小的電位器兩端，RE或恒流源連接在電位器的中間滑動接點(diǎn)處，改變滑動接點(diǎn)的位置就在兩個晶體管的射極電路中分別引入了不同程度的電流負(fù)反饋，使電路兩側(cè)更為對稱，這個過程稱為調(diào)零，這時兩側(cè)分別引入的射極電阻使兩管的電流分配的更為穩(wěn)定。,77,通過上面的分析可見，差分放大器在共模輸入時，RE有電流負(fù)反饋?zhàn)饔?，所以輸入阻抗很高。在差模輸入時沒有負(fù)反饋?zhàn)饔?，輸入電阻很低?信號源通常是高內(nèi)阻。差模輸入時，差分放大器輸入電阻小，所以差模信號衰減很多，

37、而對外部共模干擾衰減很小，這意味著對于高內(nèi)阻的信號源，差分放大器抑制共模干擾的實(shí)際能力不是很大，為此可采取在電路兩側(cè)增加射極電阻，分別引入電流負(fù)反饋，增加差模輸入電阻，也可用場效應(yīng)管代替晶體管，稱場效應(yīng)管差分放大器，但需注意場效應(yīng)管有失調(diào)電壓和溫漂較大的缺點(diǎn)。,78,4.差分放大器的輸入、輸出方式 基本有四種：即雙端輸入雙端輸出，雙端輸入單端輸出，單端輸入雙端輸出和單端輸入單端輸出。 在很多情況下，我們需要對地輸出，這時差分放大器處在單端輸出狀態(tài)下，在差模輸入時，n點(diǎn)位相與a點(diǎn)的輸入電壓相同，而與b點(diǎn)的相反，所以由n點(diǎn)輸出時，a點(diǎn)為同相輸入端，b點(diǎn)為反相輸入端。 差分放大器可抑制零點(diǎn)漂移，且有

38、靈活的輸入和輸出方式，被廣泛的應(yīng)用在各種生物醫(yī)學(xué)測量儀器中，如心電機(jī)的前置放大器，因其選用直接耦合方式，所以它也是集成運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)。,79,三. 調(diào)制型直流放大器,對于直流或緩慢變化信號的放大，為了解決級和級之間的直流電位相互影響和零點(diǎn)漂移的問題，除采取上面介紹的差動放大器外，還可以用調(diào)制型直流放大器。 它是將直流或緩慢變化信號先轉(zhuǎn)換成一定頻率的交流信號，然后經(jīng)過交流放大，再將放大后的交流信號變換成原直流或緩慢變化的信號。,80,斬波調(diào)制器 這種調(diào)制器的任務(wù)是把直流信號變成交流信號。 2. 放大后的解調(diào) 上述斬波調(diào)制得到的矩形波經(jīng)交流放大后，需要再把它變成與輸入信號幅度和極性相對應(yīng)的直流信

39、號，這就是解調(diào)。,81,第五節(jié) 功率放大器,電子儀器最后一級的放大器，常常需要給負(fù)載提供較大的電壓和較大的電流，也就是需要供給負(fù)載較大的功率，這種放大器稱為功率放大器(power amplifier)，簡稱為功放。 放大電路實(shí)質(zhì)都是能量轉(zhuǎn)換電路，從能量控制的觀點(diǎn)來看功率放大器和電壓放大器、電流放大器沒有本質(zhì)的區(qū)別，無論哪種放大器，在負(fù)載上都同時存在輸出電壓，輸出電流和輸出功率。,82,一. 甲類功率放大器,根據(jù)功率管工作點(diǎn)的位置不同，可分為不同種功率放大器。 當(dāng)晶體管工作點(diǎn)選擇在特性曲線的線性部分時，稱為甲類功率放大器。其功率放大器的原理與電壓放大器完全相同。 功率放大器要輸出一定功率，所以選

40、用的晶體管是大功率管，電阻RC和RB1及RB2的阻值要選得小一些，功率大些，如果負(fù)載電阻適當(dāng)，可代替RC直接連在集電極電路中。,83,像電壓放大器一樣，電路中同時存在直流和交流，直流功率即直流成分產(chǎn)生的功率，它的能量消耗在電路內(nèi)，交流功率即有用信號產(chǎn)生的功率，由負(fù)載輸出，其值越大說明效率越高。 為了有大功率輸出，一般放大器要工作在大信號輸入狀態(tài)下，所以容易產(chǎn)生非線性失真。晶體管常常工作在極限狀態(tài)下，如輸出電流、功耗等可達(dá)到晶體管的相應(yīng)的極限值，所以要注意功率管的散熱和過電流、過電壓保護(hù)等問題。,84,在輸入信號的整個周期內(nèi)，晶體管均處于導(dǎo)通狀態(tài)，信號的正半周期和負(fù)半周期波形均可全部流過，波形不失真，但電源始終不斷的輸出功率，這些功率消耗在管子和電阻上，并轉(zhuǎn)化為熱量形式散出，而在負(fù)載上輸出的功率卻很小，效率降低。,85,若將晶體管的工作點(diǎn)調(diào)整在截止區(qū)，在信號的某半周期滿足晶體管的基極偏壓時可以導(dǎo)通，在負(fù)載上有半波輸出，在信號的另半周期到來時