生物电测量技术

噪声

2 2 2 E rms en df Rs2 in df 4kTR s B f1 f1
f2
f2


噪声能量与温度、频带宽度、放大器的电流和 电压噪声有关 采用低噪声的前置放大器芯片，已有芯片可以 做到噪声电压小于 10nV / Hz 和噪声电流小 于 10 pA / Hz 。通常场效应管的运放的电压噪声较 双极型晶体管的运放大，但电流噪声远远小于 双极型晶体管的运放。 有限的频带宽度：使用滤波器限制频带宽度。 前级电路的噪声会被后级放大，这样就要求前 级输出噪声小于后级的输入噪声，所以第一级 元器件的噪声必须很低，而且增益足够大。
共模干扰形成原因
位移电流
位移电流idb会 造成共模电位 Vc=idbZG
Z in Z in V V Vc Z in Z 2 Z in Z1

除了提高共模抑制比以外， 提高放大器的输入阻抗对减 小共模干扰很有帮助。另外， 尽可能的减少电极阻抗，减 小各电极阻抗之间的差别也 对减少共模干扰有好处。
电 极 极 化 电 压 问 题
生物电放大器Байду номын сангаас滤波电路


高通滤波器：低频截止频率为fL=1/（2πRLCL）。 D4为RLCL电路提供了所需要的高输入阻抗，也有 增益Gd4=1+RH/R5，而且还组成了一阶有源低通滤 波器，高频截止频率为fH=1/（2πRHCH）。
共模干扰的消除方法

在进行生物电测量时，被测体（通常是 人体）受到电网形成的交流电场的作用， 会在人体上产生交流电位，这个电位在 体表各部分是相同的，是一个共模干扰

降低电极阻抗Z2 和Z1 降低id，将各引线屏蔽接地。
屏蔽线驱动

对于共模信号而言，分布 电容两端等电位，流过电 容的电流Ic=0，相当于阻抗 为无穷大，从而消除了屏 蔽线分布电容的影响。这 种方法称为屏蔽驱动。
右腿驱动电路

，D1和D2组成 的电路的共模增 益为1，在a、b 处的共模信号 V’c与被测体上 的共模信号Vc相 等，Vc=V’c。 Vc=idbRo+Vo，， 那么就有：
50Hz噪声干扰：电磁场干扰或仪器电源电压的干扰。 其它信号的干扰：如测量诱发脑电时自发脑电的干扰， 测量胎儿心电时的母体心电的干扰等。 电子元器件噪声干扰：热噪声和PC结噪声干扰。
第二章 生物电测量技术
2.2 生物电放大器
生物电放大器基本要求


不影响所检测部位的生理功能； 测得的信号不能有畸变； 必须能将有用信号和干扰分离开来； 必须对可能的电击伤害提供有效的防护； 放大器本身应能经受得起除颤器、电刀 等产生的大电流的冲击。
高增益

生物电信号非常弱小：通常放大 器的增益达500倍至1000000倍左 右，针对不同的信号应选择不同 的增益。
低噪声

由于信号弱小，放大器本身的噪声 幅度必须远低于信号幅度，尤其是 放大器的前置级噪声，它会与信号 一起经后级放大器放大，因此，前 置放大器的元件必须采用低噪声的。
高输入阻抗
第二章 生物电测量技术
2.1 生物电信号
生物电信号
名称 心电 脑电 肌电 胃电 视网膜电 幅值 0.18mv 550μv 20μv30mv 50μv2mv 50μv200μv 频率范围 0100Hz 0.560Hz 103000Hz 0.00120Hz DC20Hz
生物电信号的测量特点

信号微弱： 0.1μv~5mv； 信号的频率低：直流~几百赫兹以下 强噪声背景（信噪比小）：如50HZ干扰，其他 生物电信号的干扰和测量设备本身的电子元器 件噪声的干扰。



电极电位影响：电极之间的电位差可达300mv， 不稳定，会形成基线漂移。（电极电位与电极 材料有关，也与电极安放、电极面积、电流密 度等有关系）
-
+
Vout
前置放大器



差模增益： Gd1=1+2R2/R1 Gd2=R4/R3 共模增益： Gc1=1 总增益： Gd=Gd1Gd2

总的共模增益Gc为D3组成的差模放大器的共 模增益，共模抑制比CMRR=Gd/Gc。 电路中的R1常被用来调节增益
仪器放大器

有很多这样的集成电路芯片如AD620， INA118等，可以直接用来作为前置放大 器。
2R f Vc idb R Vc o Ra
思考题



生物电信号有哪些，他们的信号特征是 什么？ 生物电放大器的基本要求和技术特点是 什么？ 生物电放大器应有哪些部分组成？ 请考虑设计一个用于心电放大的生物电 放大器。（先写出设计要求和技术指标）
电极电位


前置放大器的增益实际上受到电极电位的限制， 一般允许两个电极之间的电位差达到300mV， 如果放大器电源采用6V，那么放大20倍基线就 处在饱和位置了。通常是采用隔直电容来解决 这个问题 由于生物电信号中的一些成分接近直流或本身 就是直流，如心电图的s-t段，所以这个高通滤 波器的截止频率很低，如心电图机的低频端截 止频率为0.05Hz。


生物电信号的信号源内阻很高，提 高放大器的输入阻抗可以提高信号 拾取的比例。 高输入阻抗也能减少因各电极阻抗 不一致造成的共模干扰。因此，提 高输入阻抗也能提高信噪比。
合适的通频带


通常是利用滤波器来完成。 高通滤波器可以用来消除电极电位漂移。 低通滤波器可以用来消除各种高频噪声， 尤其是工频噪声及其谐波，也能用于限制 信号的频宽以防采样时造成信号混叠。 不同生物电信号的频率范围不同，放大器 的频率响应范围也是不同的。
Z1 Z 2 V V Vc Z in

Vout
Z1 Z 2 Gd Vc Gd Vd Gd Vc CMRR Z in
电极引线中也会感应工频干扰
假定： 引线1中的电流是id1， 引线2中的电流是id2， 接地回路的电流=id1+ id2 因Z1和Z2的不一致而转 变为差模电位： V+ –V- = id1 Z2 – id2 Z1 = id (Z2 –Z1)
EASY TO USE Gain Set with One External Resistor (Gain Range 1 to 1000) Wide Power Supply Range (±2.3 V to ±18 V) Higher Performance than Three Op Amp IA Designs Low Power, 1.3 mA max Supply Current
电气隔离和保护
现代生物电放大器都采用隔离放大 器，使得连接病人的放大器输入级 （应用部分）与放大器后级完全电 器隔离的。 电器隔离的主要目的是防止病人受 到电击，同时，该技术对抑制电源 干扰的影响也有一定的作用。


生物电放大器框图
前置放大器
隔离放大器
10-15倍
10-1000倍 高 通 滤 波 器 低 通 滤 波 器
生物电放大器技术特点

采用差分放大器 高增益 低噪声 高输入阻抗 合适的通频带 电气隔离和保护
采用差分放大器


只能测得两个电极之间的生物电的电位差 值； 差分放大器仅对差模信号作正常放大，对 共模信号有抑制作用。由于生物电信号在 两个电极上是不同的，是差模信号，工频 干扰信号在两个电极上的幅度和相位基本 上是相同的，是共模信号。差分放大器可 以对差模信号放大而对共模信号抑制。