医用电子仪器3资料文档

RL 2

RT 2

Rs 2

RL 2
Us---生物信号电压； RT1，RT2---人体电阻，数十欧姆至数百欧姆； RS1，RS2---电极与皮肤接触电阻，数千欧姆至150K，与 皮肤的干湿，清洁程度以及皮肤角质层的厚薄有关； CS1，CS2---电极与皮肤之间的分布电容，数皮法至数十 皮法； C1，C2---信号线对地电容，长1m的电缆线约数十皮法; RL1，RL2---信号线和放大器输入保护电阻，通常小于 30K； Ri---放大器输入电阻；
由上面的分析可知，由外回路电阻失配和器件本 身的CMRRD有限，在放大电路输出端产生的共模 误差电压总共为 ：
uoc

Ac1uic

uic CMRRD
Ad
则总共模增益为：
Ac
uoc uic

1 Ac1 CMRRD
Ad
整个放大电路总的总共模抑制比CMRR为：
CMRR Ad CMRRD CMRRR Ac CMRRD CMRRR
通常Zi>>Zs1（Zs2），所以：
UA UB
UCM
Zs Z 2 s1 Zi
（三）低噪声低漂移
低频生物电信号特点： 1、幅值低（微弱信号），仅在微伏，毫伏级； 2、高阻抗源，本身带来相当高的热噪声（输入信号质量差）； 3、具有十分低的频率成分。
设计要求： 1、低噪声前置放大级：（1）正确设计放大器的增益分配， 在前置级的噪声系数较小时，可以获得良好的低噪声性能。 （2）采用严格的装配工艺，对前置级电路加以特殊保护。 2、低漂移设计：采用差动输入电路形式，利用电路的对称 结构并对元器件参数进行严格挑选，来有效地抑制放大器的 温度变化造成的零点漂移。 3、改善直流放大器的低漂移性能：用调制式直流放大器把 直流信号转变成交流信号，来放大微伏量级的直流信号。 4、复零信号设置：在前置级设置复零信号，以保持测量连 续进行。
uoc


uic CMRR2

uic CMRR1
Ad1
Ac1

uoc uic


1 CMRR2
1 CMRR1
Ad1
CMRR12

Ad1 Ac1

1 1 1
CMRR1 CMRR2 CMRR1 CMRR2
CMRR2 CMRR1
由此可见，第一级放大电路的共模抑制能力取 决于运放器件A1，A2本身的共模抑制比的差异。
为了切断共模电压在电路中的传递，最简单有效的 方法是在A1，A2并联电路的后面接入一级差动放大。
两级放大器差动增益
Ad

Ad1 Ad 2
1
2RF' RW

RF R1
两级放大器共模抑制比由两级共模误差决定
uoc

uic CMRR12
Ad

uic CMRR3
Ad 2
Ac

uoc uic
设放大器的差模增益为Ad，输出电压为UO。
Uo
Us
2Zi Zs1 Zs2 2Zi
Ad
Zs1 Zs2 Zs
Z s Zi
放大器对生物信号的电压增益
Ad'

Ad
Zi Zs Zi
如果Zs的值从2变化到150KΩ 时，在Zi＝1MΩ 时， 由公式得到A’d的不稳定波动为12.8%；而在Zi＝ 5MΩ 时， A’d的不稳定波动下降为2.8%。
（四）设置保护电路
• 人体安全保护电路 • 放大器输入保护电路 • 校准电路
二 差动放大器的分析方法
• 分析参数
–共模抑制能力 –输入阻抗
是否可以用一个基本的集成运算放大器 （即一个基本的差动放大器）来构成生 物电放大器的前置级？
方法：从一个简单的基本差动放大电路 的共模抑制能力，输入阻抗的分析入手， 研究差动放大电路共模抑制比的诸影响 因素，以及如何提高放大电路的输入阻 抗。
结论
• 第一级放大电路的共模抑制比能力取决于运放 器件A1、A2本身共模抑制比的差异
• 为消除因CMRR1、CMRR2不为无穷大而造成 A1、A2输出端有与输入端相同的共模电压，故 应在A1、A2输出端接一级差动放大，以消除共 模电压在电路中的传递
• 总的共模抑制比：A3运放器件的共模抑制比； 差动放大级的闭环增益；RF,R1电阻的匹配精度； 同相并联的第一级差动增益。
R3 R3(1 3)
由公式可知，放大器的共模增益为：
Ac1

uoc uic
1
RF R1

R2
R3
R3

RF R1
共模增益简化为：
Ac1

4
11 Ad
由外电路电阻匹配精度限定的放大器的共模 抑制比为：
CMRRR

Ad Ac1

1 Ad
4
B. 器件本身的共模抑制比CMRRD ：
输入阻抗与共模抑制比
高CMRR 高Ri？
设Ucm为共模干扰电压，则放 大器输入端A、B两点的电压
分别为：
Zi
UA UCM
Zi Zs1
UB UCM Zi Zi Zs2
则共模电压转化为差模电压 UA-UB
UA UB UCMZi( 1 1 ) Zi Zs1 Zi Zs2
结论
• 在同时考虑电阻失配和器件本身的CMRRD 的影响时，放大器总的CMRR将进一步下降
• 差动放大器的共模抑制能力受到放大电路闭 环增益、外电路电阻匹配精度以及放大器本 身共模抑制比等因素影响
• 差动放大器的输入阻抗 Ri=2R1
基本差动放大器这一电 路形式不能满足生物 电放大器前置级高
输入阻抗要求的
差模增益
:
Ad

Uo uid


RF R1
共模抑制比 : CMRR Ad Ac
以上为理想情况下所得,实际中外回
路不可能达到完全的对称平衡.
共模抑制比（CMRR） 定义由外电路电阻匹配精度所限定的放大器的共 模抑制比为CMRRR， 所用的集成器件本身的共模抑制比为CMRRD， 则整个放大器的共模抑制比CMRR将取决于CMRRR 和CMRRD。 A. 电阻失配共模抑制比CMRRR ： 设各电阻的匹配误差分别为：
同相并联差动 放大器总共模抑制比主 要取决于第一级的差动增益及 第二级的共模抑制能力
例题
• 如图所示为同相并联结构的ECG前置 级实用电路，所用器件的共模抑制比 均为100dB。输入回路中两电极阻抗 分别为20k、23k。放大器输入阻 抗 实 际 有 80M 。 放 大 器 中 所 用 电 阻 的精度=0.1％，其他参数如图所示。 求包括电极系统在内的放大电路的总 共模抑制比。
第三章：信号放大
各种生物信号都属于低频的微弱自然信号， 为了对生物信号进行各种处理、记录、显示， 必须首先把信号放大到所要求的强度。各种 生物电放大器的结构、性能等都成为生物医 学电子学中的主要研究内容。放大器的核心 是前置放大，所以前置级的设计是本章的重 点。
• 1、掌握基本差动放大器和同向并联结构 放大器的电路分析方法*
为了使第一级放大电路获得高共模抑制比，A1， A2器件本身的CMRR1和CMRR2数值是否高并不 重要，重要的是他们的对称性。
仅仅用A1，A2 构成前置级是不足的，如果不考虑这一级 共模电压的转化，A1，A2的输出端就存在于输入端相同 的共模电压。这样，共模电压在输出端占用了一定的工 作范围，致使差动信号的有效工作范围减小。
（一）同相并联结构的前置放大电路
ui1
+
Uo1 R1
RF
-
A1
R'F
-
uo
RW
+ A3
R'F
-
R1
RF
ui2
+ A2
Uo2
试求:1.两级放大电路的差动增益Ad 2.第一级的共模抑制比CMRR12
A1，A2组成同相并联输入第一级放大，以提高 放大器输入阻抗。 A3为差动放大作为放大器第二级。
第一级放大电路输出电压：
影响差动放大器共模抑制能力的因素 1 由电阻失配所造成的CMRRR
CMRRR

Ad Ac1
1 Ad
4
2 器件本身共模抑制比
CMRRD
ui'c

uic CMRRD
例题
• 差动放大器电路所用的IC器件的共 模抑制比CMRRD=100dB，放大电 路闭环差动增益Ad=20，电阻误差 δ=±0.1%，求放大器的总共模抑制 比。当Ad=1时，放大器的总共模 抑制比又是多少？

Ad

1 CMRR12
1 CMRR3

1 Ad
1

CMRR Ad Ad1 CMRR12 CMRR3 Ac Ad1CMRR3 CMRR12
当严格挑选A1,A2放大器共模抑制比
CMRR12 Ad1 CMRR3
CMRR Ad1CMRR3
放大器共模抑制比主要取决于第一级的 差动增益和第二级的共模抑制能力。
uo'
uo2
uo1
1
2RF' RW

ui 2
ui1
Ad1

1
2RF' RW
输出电压无共模成分，无需外电增益的调节。
第一级电路具有完全对称形式，这种对称结构有 利于克服失调、漂移的影响。
当A1，A2共模抑制比为有限值时，在第一级存在共 模误差电压输出：
电极阻抗与电流密度大小有关
电极阻抗和皮肤压力有关，和导电膏离子浓度有 关
如果放大器输入阻抗不够高（与源阻抗相 比），就会造成信号低频分量的幅度减少， 产生低频失真。
Z s1

RT 1
1
Rs1
jRs1Cs1
RL1

RT1
Rs1

RL1
Zs2

RT 2
1
Rs 2
jRs 2Cs 2
RF
- uid/2+ ui1 R1
-
+ uid/2 - R2
+
ui2
+
uo
uic
-
R3
1. 共模抑制比（CMRR）
线性集成器件构成的差动放大电路。两输入端 信号ui1和ui2由共模电压uic和差模信号uid组成， 其中 ：
uo
1
RF R1

R3 R2 R3
ui 2

RF R1
几种体表电位测量时输入阻抗指标
放大器名称 参数名称
ECG-Amp EEG-Amp VEP-Amp EMG-Amp
输入阻抗
>1M >5M >200M >100M
输入端短路噪声（p-p） ≤10V ≤3V ≤0.7V ≤8V
共模抑制比 频带 电极
≥60dB ≥80dB ≥100dB ≥80dB
三 差动放大应用电路
基本差动放大电路输入电阻不够高的根本原因 为：差动输入电压是从同相端和反向端同时加 入的。 解决方法（提高生物电放大器前置级的输入阻 抗）： 方案一：是把差动输入信号都从同相侧送入， 采用同相并联结构。 方案二：是在差动放大电路前面增加一级缓冲 级（同相电压跟随器），实现阻抗变换。
0.05-250Hz 0.5-70Hz 0.5Hz-3kHz 2Hz-10kHz
板电极
片状或针电极
（二）高共模抑制比
为了抑制人体所携带的工频干扰及所测量的参数 外的其他生理作用的干扰，须选用差动放大形式。 因此，CMRR值是放大器的主要指标。
值得注意的是：放大器的实际共模抑制抑制能力受 到放大器前边电极系统的影响。 通过两个电极提取生物电位时，等效源阻抗一般： Zs1，Zs2不完全相等。 Zs1与Zs2的数值大小主要与下列因素有关： 1. 人体汗腺分泌情况； 2. 皮肤清洁情况有关； 3. 电极、皮肤接触电阻； 4. 电极本身物理状态。
由于CMRRD不为无穷大，引起共模输出电压
CMRRD

Ad' Ac'
Ac'

uo' c uic
ui'c

uic CMRRD
共模输出电压uoc’折合到放大器输入端得共模误
差电压
ui'c

uo' c Ad'
共模输入电压因为转化成差模电压而形成 共模干扰电压。所以，共模输出Uoc实际是 由CMRRD有限而产生的共模误差电压，折 合到输入端，相当于一差模电压U‘ic，它与 差动信号一起被放大Ad倍。
为了研究器件本身的共模抑制比为CMRRD对整个放 大器的CMRR的影响，须首先推导由于CMRRD的存 在所产生的共模输出电压。
由共模抑制比的定义：CMRRD为放大器开环差动增 益A’d与共模增益A’c之比：
CMRRD A' d A'c
共模增益A’c为共模输出电压与共模输入电压的比： A'c U 'oc Uic
ui1

1
RF R1

R3 R2 R3

RF R1
uic

1
RF R1

R3 R2 R3

RF R1


uid 2
uoc uod
满足无共模输出 平衡对称要求
R1 R2 , RF R3
得出：
回路电阻匹配条件 : R1 R2; R3 RF
• 2、掌握光电隔离电路的分析方法* • 3、掌握基本滤波器电路的分析方法
§1 生物电放大器前置级原理
一 基本要求 –高输入阻抗 –高共模抑制比 –低噪声、低漂移 –设置保护电路
（一）高输入阻抗 信号源阻抗与生理状况有关
电极与人体接触的阻抗与电极安放位置、电极本 身物理状况有关
信号源，电极与人体接触阻抗是信号频率的函数