便携式脑电放大器设计方案报告

便携式脑电放大器设计报告
天津大学精仪学院（300072 ）
王慧泉3004202330
一、工程的任务与要求
设计题目：脑电放大器（电池供电）
任务与要求：把头皮表面脑电信号放大到伏的量级上，通过前级放大电路和后级放大电
路，把信号放大10000~50000倍左右。

二、设计目的
人的脑电信号（EEG）是大脑皮层的神经元细胞所产生的电流总和在穿过头颅到达头
皮后，所引起的头皮不同部位有不同的电位水平。

人自发的EEG在清醒状态下常常含有节律性的电位变化。

成年人清醒安静状态下的正
常EEG通常包括多种不同频率的波。

头皮表面的EEG信号范围为1〜100 V。

频率范围0.5〜100Hz，皮质电位约为1mV。

在静息状态下脑电所包含的频率可分为下述5类：
S （Delta波）：0.5〜4Hz,深度睡眠状态
0 （Theta波）：4〜8 Hz,梦境状态
a （Alpha波）：8〜13 Hz,催眠、冥想状态
3 （Beta波）：13〜22 Hz,清醒或激动状态
丫 : 22~30 Hz及更高频率。

讥卄卄卄心波
a波梭形
t ---- 1
rs
a波啟晞
重点放大a波和3波，通过观测脑电波基本
节律实现对身体状态检测和进一步实现通过意识控制身边装置;
其中a波作为一种自发脑电，与视觉皮层的闲散节律相对应，多在清醒闭目时出现；
睁眼、思考问题，或接受其它刺激时，a波消失，转而出现快波；如果又安静闭目，则a
波又重新出现，这一现象称为a波的阻断现象。

通过观测a波的阻断现象，可通过脑-机接口进一步实现对装置的快速控制。

三、系统概述
1、脑电检测的频带选择
节律拟
a
是一种规律的频率为8〜13 Hz,波幅10〜100uV的正弦形节律。

这是脑电图的基本节
律，主要出现在大脑球后半部，特别是在枕部的描记中，安静及闭眼时出现最多，波幅亦
最高，其波幅可以出现周期性逐渐升高和降低现象，呈纺锤形或梭形。

当睁眼或思考问题
时，a节律可抑制。

B节律ZZ 4屮榊：
是指频率为14〜30 Hz,波幅在5〜20uV之间的一种低波幅电活动，在前头部最多
见。

当B活动占优势时，其波幅可达50uV。

B活动属于快活动（频率高于a节律的活动称快活动）。

当被检者思考问题，或有明显焦虑、抑郁，或使用镇静药物时，3活动明显增多，3活动波幅增高多数是神经细胞兴奋增高的表现。

适量的3波，对积极的注意力提
升，以及认知行为的发展有著关键性的助益。

故选择截止频率为0.5Hz的无源高通滤波器，用以滤极化电流，30Hz的有源二阶低通
滤波器和带宽为8〜13 Hz及14〜30 Hz的有源窄带通滤波器。

2、干扰的抑制
1）电极噪声：由于电极极化产生的噪声，对此干扰采用银一氯化银电极，是一种不易极化的电极，极化电压仅数毫伏；
2）无线电波及高频设备的干扰：将系统装入金属盒，外部信号传输使用屏蔽线；
3）被测生理变量以外的人体电现象所引起的噪声：利用差分结构和医用放大器提高系统得共模抑制能力（干扰一般表现为共模电压信号）
4）50Hz的工频干扰：幅度相对于脑电信号来说很大，可达到EEG信号幅度的1〜3个数
量级，尽管已有30Hz 的低通滤波器，但对于工频部分衰减不够，可能会出现输出信号 两个峰值的情况，故应考虑设计高阶低通或陷波器将其去除。

3、系统模块设计
芯片选用：
I ---- 1 电源
脑电'信号
I 1
四、单元电路设计与分析
一般脑电机的技术指标为： 输入阻抗大于10M Q ;
共模抑制比大于80dB （即共模抑制比大于 频带宽度0〜150Hz ; 系统噪声小于3卩V ;
10000:1）；
1、前级放大电路
500K
选用max4194作为核心元件，最低工作电压为 2.7V,最小功耗470mW，具有轨一轨
的特性，输出幅度可接近电源电压。

因为前置放大器的增益大一些对抑制放大器件本身噪
声有利，根据Ag=1+50K'」/Rg., 欲使增益为100，计算得Rg=51曲，根据实际可将Rg= 510",则实际放大为99倍，增益误差为1%; G=1000时CMRR典型值为115dB, 3dB带宽为0.147K Hz,大于设计要求。

备选方案：选用AD623,最小供电电压为2.5V,最小功耗650mW。

具有轨一轨的特性，输出幅度可接近电源电压。

根据Ag=1 + 100Ki」/Rg ,欲使增益为100 ,计算得Rg=1K“，根据实际可取值为
Rg=1K」，则实际放大为101倍，增益误差为1%; G= 1000 时，CMRR最小值是105, 3dB带宽为2KHz,大于设计要求。

前级并联放大器及跟随器选用低功耗精密放大器max414，采用CMOS技术制造。

最低
工作电压为2.4V,功耗＜30mW。

输入电压应在比负电源高1.5V,比正电源低1.5V。

输出电压范围（2々」负载）在比负电源高1.3V和比正电源低1.4V之间。

备选方案：由于max414输入阻抗只有2K"，跟随器设计提高输入阻抗的方法不知能
不能达到设计要求。

因此前级跟随器可选用放大器LM324，输入阻抗2M，工作电压为土
1.5V to ± 15V。

采用跟随器设计，提高输入阻抗。

因此前级放大器共放大100倍。

噪声分析：
芯片噪声：
max4194 :失调电压＜2.0 卩V/C,
G=100, f=10Hz 时噪声密度=32nV/Hz ;
AD623：失调电压＜200卩V/°C失调电流＜2卩V/°C,
G= 1000 f=1 kHz时输入噪声密度=35 nV/Hz,输出噪声密度=50 nV/Hz;
max414 :其特点是低噪声，f= 1 KHz时噪声密度＜2.4 nV/' Hz，增益带宽积28MHz，单位
增益稳定，压摆率4.5V/卩S,失调电压＜250卩V,静态电流2.5mA。

通过计算运放噪声小于设计要求噪声，符合要求。

Lm324:失调电压典型7卩V/°C,失调电流典型10卩V/°C,偏置电压最大7mV,偏置电流最
大2nA, f=100KHz时带宽1.3MHz ;输入1 KHz时，噪声密度为40n V/' Hz ,
电阻噪声：电路中噪声影响最大的电阻就是并联的R3 R4,阻值为1M ;
噪声电压的均方值为：V n? =4kTBR，其中k=1.372*10-23J/K,T=293K,
B=150Hz, R=500K1M，计算得输入导线上50K1M电阻在30Hz内的热噪声最大为0.0785卩V, R3 R4总共引入噪声为0.78520.7852= 0.11卩V,其他电阻带入系统热噪声远小
于此值，可以近似忽略，0.11卩V <3卩V符合设计要求。

其他设计
设计要求在输入出现5000V高压时不会损坏电路，两个二极管可以选用低漏电的微型二极管
IN4148，其最大允许通过电流为100mA, R=50K D，从而这样输入端可以承受高达
5000V的高压而不被破坏后级电路。

无源高通截至频率为0.5Hz,计算取值R3=R4=100K, C=4.7卩F,符合要求，主要用于
滤出直流偏置电流；
采用共模驱动电路，提高共模抑制比；
提取共模信号的电阻不可取的过大，否则会影响仪用放大器的信号输入；
电源两侧并联一大电容一小电容，目的是滤除高频干扰和低频干扰。

2、低通滤波器
截至频率为30Hz的有源二阶低通滤波器
设计要求：截至频率30Hz
参数选择：由归一化得参数如图所示
电路说明：选用六阶低通滤波主要是考虑一方面对30Hz的滤波效果好一些，另一方面要
通过此低通对50Hz工频进行有效的抑制，从而省去50Hz陷波环节，避免因陷波中心不准而造成的无法有效抑制工频干扰的后果，电路模拟如下图：
可见在50Hz 处衰减已经到达 26dB ，即如果有1mV 的工频信号将通过低通衰减到 47卩V,已
经满足设计要求。

3、后级放大电路
C2
设计要求：放大倍数：10倍；由于信号在通过此部分时量级在 100uV~10m 之间，固定电
阻噪声相对可变电阻的小，因此不设计成可调增益，为了达到低功耗要求，电阻取值如 图，因此要在正输入端放置
100K 电阻，减少偏置电流影响，阻值应为 R1、R2的并联；输
入端加入滤波电容，滤出前一级引入的漂移电流，限制带宽，使白噪声减小。

参数选择：其中低通截止频率为 30Hz 。

4、带通滤波器
设计要求：可调中心频率和带宽的带通电路，用于分别捕捉
％波（8~13 Hz ） 3波（13~22
Hz ）。

BW=8.3Hz~13.8Hz
I
l
h.fegriit ude
nri/bgnitu
de
Ph 齬& SaveJ
l SM7
SOJXIHZ
Li
Horizontal b&g Id
计算公式：
对任意带宽RWx 的响应可计算如下:
电路计算公式：已知 Fo 、Q 、w
R 1 R 2
R 3 = 2R 1
2 二F o C
2Q 2 -1
如图参数选择得
8~12Hz 时 Fo=10Hz 、BW 3dB =4Hz 、Q=2.5、R 仁39.8K 、R2=3.46、R3=796 C=1uF
可以用R2调节•■、Q ,各参数互相影响很小。

芯片选用：
其中，滤波部分和后级放大电路的芯片均选用
LM324，其可工作在2.5V 的单电源或
1.25V 的双电源。

功耗500mW ，其偏置电压最大7mV ，偏置电流最大2nA , f=100KHz 时带宽
1.3MHz ;输入1 KHz 时，噪声密度为40nV/ Hz
，由于脑电信号已经过前级放大 2500倍， 信号基本已到mV
量级，因此LM324参数符合要求。

备选方案，可采用 max291
系列芯片，其可根据需要设计成高通、低通、带通和带阻滤
-
dB =10log 1
+
BWx
l
BW
3dB
其中 BW 3dB =Fo/Q
5、二次放大
此设计是为使系统总增益可为
20000,可以调节，防止放大过大溢出和过小不便观
察。

加入滤波电容，滤出前一级引入的漂移电流，限制带宽，使白噪声减小。

6、电池供电电路
采用四节1.5V 干电池供电，如下电路。

可加入低压降稳压块 LM2940，高负载时压降为 40mV ，输出电流可达 1.25A ，典型值压降 为350mV 输出电流为1 A,静态电流为2 4 0 卩A 。

电路连接如上图所示。

四、小结
1、脑点信号微弱很容易被干扰，减小噪声和抑制干扰很重要。

尽量的缩短各个模块的连接线，减小带入系统的工频干扰和其他干扰; 导联线放置紧贴电路板，分别从电路板上下通过；
在电源输出两极加入滤波电容，减小电源纹波。

电源稳压可采用低压降稳压块
LP2985。

IN
BAY
V™
选用屏蔽盒和屏蔽线；
设置头皮电阻检测电路，测量电极是否接触良好。

测试中可能存在的干扰（包括眼电、肌电信号和周围环境的变化），一般容易出现
的八种情况：磨牙、点头转头、打哈欠、眨眼、抬眉毛转眼球、移动数据采集线、附近有东西掉
在地上、说话等。

在测量时应注意这些干扰带来的影响。

2、上述设计只达到了脑电放大器的最基本的要求，作为一个完整的便携式脑电机还需要头
皮电阻测量电路，增益控制，记录与分析、显示和存储部分等，所以上述设计还很不完
善。

3、脑电机头皮测量电路是脑电图机组成的必要部分，电极与头皮接触的好坏影响着电极接触电阻的大小，电极与皮肤的电阻越小，得到的波形质量就越高越稳定。

一般头皮电阻在20千欧（K Q符合要求，少于5K Q更好，若电阻值过大容易产生干扰或造成波形失真。

一般的头皮阻抗测量电路为：
其可行性还需要在实验中验证。

3、在滤波环节采取是模拟的方式，效果不如数字的好，要是想达到真正的便携和利用a波的阻断现象由人脑发出开信号，完成身边设备的控制，对于其稳定性和抗干扰性有很高的要求，一定要将本系统数字化。

关于后级的A/D转换及数字信号处理部分，其核心器件可选择ADI公司的工一A型AD7708芯片。

它是ADI公司的一种多信道16位ADC,支持4或5信道全差分输入以及8或10信道伪差分
输入。

主要由1个输入多路复用器、2个缓冲器、1个PGA、工一AADC串行接口控制逻辑及片上锁相环组成。

具有（1）高精度，（2）可选择测量范围，（3 ）低功耗，（4）体积小，等特点，适于设计要求。

并且可在实现数字化的基础上继续进行滤波和数据的分析，以达到辅助诊断疾病的目的。

显示部分可选用LCD器件，使结果更直观，观察更方便；另外此系统可加在一些便携式器件中，如MP4播放器等，既可实现便携式观察又为“意识遥控器”的发展打下基础。

附1。

芯片供电电压参考：
AD623: Dual ± 2.5V to ± 6.0V
AD620: Dual ± 2.3V to ± 18V
MAX4194: Sin gle +2.7V to +7.5V
MAX414: Single Low ± 2.4V to ± 5V max ± 12V
LM324: Si ngle +3V to +30V Dual ± 1.5V to ± 15V
LF347: ± 18V, ± 15V
MAX; Single +5V Dua± 5V
附2:芯片管脚说明
Max4194 : G=1+49.4K/Rg
RG-
m
MAX4194
IN+f? AD623: G=1+100K/Rg
7|
RG+
ZK
7| SO
—■!：（：
CUT
—KU:一買
Output 1 1
Inverting Input 1 2
Mon-inv^rting Input 1 3
Vcc*』
Non-inverting Inputs 5
Inv^fling Inpul 2 6
Output 2 1
14 Olitpul 4
13 Inverllng 州pul 4
12 NorbinvGrting Input 4
11 vtc
10 Non-inverting Input 3
9 Inverting Inpul 3
8 Output 3
DUT1
IN1-
INU
¥•
IN?«
IN2”
0UT5
Dll"
IN4
IN4
V-
IID+
IN3
OUT3
LM324 :
LP2985 Max291 :
DBV (SOK23J PACKAGE
(TOP VIEW}tfllT ■■<h iTIjT5
Ofwr
MW3_
CLOCK--- 1
為
MH
1F
Pin GonAgurfitbn is S-oin
DiP/SO.
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