第三章信号放大-生物医学电子学课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 生物信息处理,放大是生物信息处理中的基本环节,生物信息无论是直接还是间接的，大多比较微弱，甚至淹没在噪声中，必须用微弱信号检测技术。微弱信号被检测后需要经过放大后才能显示读出。,生物医学信号放大,一、生物电信号特性,一般电信号的三大特性：,幅度、频谱、信号源阻抗,除掉以上三大特性外，还计及:,干扰电压、极化电压,以心电信号为例,频谱：,R波频率稍高，可延伸到100Hz。一般对于P-R段，S-T段表现为十分之几赫兹。0.2100Hz。,振幅值：,P波0.1mV；R波较高,12mV，最高到达8mV,源阻抗：,指人体内阻。加上电极和皮肤接触电阻，可达几k几十k，甚至几百k。,幅值,频谱Hz,信号源阻抗,K,极化电压,工频干扰电压,心电,0.18mv,0.2100,10,0,10,1,300mv,数 v,脑电,10,V1mV,160,同上,100mv,同上,皮电,50,V0.2mV,1100,同上,300mv,同上,肌电,20,V30mV,103000,同上,300mv,同上,眼电,50,V200mV,DC20,同上,10,1,mv,同上,胃电,50,V2mV,0.00120,同上,10,0,mv,同上,细胞电,100,V100mV,DC10,4,10,3,10,0,mv,同上,胎心电,20,V100,V,560,同上,10,1,mv,同上,二、源阻抗和极化电压在生物电测量中的影响,（一）源阻抗使生物电测量引入失真,从上式看出，通过增大放大器输入阻抗Zi，可减小由Zs引入的失真。,上式说明:,由于,Zs的存在，使感应的共模信号在放大器的输入端引入了差模电压Ui，其有时会淹没被检测的微弱的生物电信号。,如果Zs为5k,欧（典型值），对于10mv的共模干扰电压，若打算限制在10,v,以下，则放大器输入阻抗应在5M欧以上。,定量说明CMRR的下降：,其中：U,co,为放大器输出端的共模电压,U,co1,为放大器本身共模输出,U,c,为输入回路引入的,Ui经放大后的输出,电压，即：,从上式看出，增大,Zi，可提高CMRR。提高A,d,也可提高CMRR。,（二）极化电压在生物电测量中的影响,极化电压的共模部分可略去不计；,其差值部分成为一个很大的背景电压，一般比有用的生物电信号大几百倍到几千倍。,极化电压直流部分可用隔直电容隔掉，,但其缓变部分隔不掉，引起,基线漂移,。,高共模抑制比CMRR,减小共模干扰,信号,作为极性相反的,差模,信号被,放大,。,而,干扰,作为,共模,信号被,抑制,。,还需要：,低噪声,低漂移,合适的频带宽度和动态范围。,直流放大器零点漂移,生物电信号中有频率很低的成分，因此要用直流放大器。,直流放大器的特点是：无论信号源与放大器的耦合，放大器级间耦合，放大器与负载的耦合，都采用直接耦合，而不是电容耦合。,因此，将输入短对地短路时候，放大器输出端电压也不为0，而有缓慢变化。叫直流放大器的,零点漂移,。,温度漂移,引起零点漂移的因素有：,电源电压的变化，,环境温度的改变，,元件的老化。,以温度变化所引起的零点漂移最为突出。称为,温漂,。,减小温漂的措施,电路输入级用差动式。温漂作为共模信号被抑制。,元器件的挑选。,安装工艺。,参数互相配合。前一级和后一级温漂方向可以相反，互相抵消。,引入共模负反馈。不仅能抑制温度漂移，对其他共模干扰也可抑制。,集成电路放大器,传统的放大器是分立元件的。,随着半导体制造技术快速发展，20世纪60年代初出现了集成电路放大器。,所谓集成电路就是把电路中的所有元器件及连接导线都制作在一块硅片上，构成具有特定功能的电子电路。,提高了电子设备的可靠性，重量减少，体积缩小，功耗降低。,差动放大电路,差动放大电路:,信号,作为极性相反的,差模,信号被,放大,。,而,干扰,作为,共模,信号被,抑制,。,生物电放大器前置级通常采用差动放大电路结构。,由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，为了便于分析，常将其理想化,理想运放,。,理想运放的条件,放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。,运放工作在线性区的特点,集成运放,虚短路,虚开路,反相比例运算放大器,_,+,+,R,2,R,1,R,P,u,i,u,o,i,1,i,2,_,+,+,R,2,R,1,R,P,u,i,u,o,电路的输入电阻小：,R,i,=R,1,平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等。,电压跟随器,_,+,+,R,2,u,i,u,o,输入电阻大,差动放大器,_,+,+,R,2,R,1,R,1,u,i2,u,o,R,2,u,i1,解出：,如果把差动输入信号从同相侧送入，则能大大提高电路的输入阻抗。,或者在差动放大电路前加一级缓冲级（同相电压跟随器），实现阻抗变换。如图。,上述即三运放电路,u,o,2,+,+,A,+,A,R,R,R,W,u,i,1,u,i,2,u,o,1,a,b,+,R,1,R,1,+,A,R,2,R,2,u,o,+,u,o,2,+,+,A,+,A,R,R,R,W,u,i,1,u,i,2,u,o,1,a,b,+,虚短路：,虚开路：,由于输入均在同相,端，此电路的输入,电阻高。,u,o,2,u,o,1,R,1,R,1,+,A,R,2,R,2,u,o,+,R,t,=,f,(,T,C),u,o,R,1,R,1,+,+,A,3,R,2,R,2,+,+,A,1,_,+,A,2,R,R,R,W,+,E,=+5V,R,R,R,R,t,u,i,由三运放放大器组成的温度测量电路,上述电路中第一级也可用场效应管构成。,Page 161放大电路例子。,1.场效应管源极跟随器。,2.双端输入、单端输出的差动放大器。增益可调。,3.低通有源滤波器。截止频率可调。,以下参数测量：,CMRR：,差模增益测量,将放大器输入端一端接地，另一端输入一中间频率、1mv（有效值）的正弦信号。用示波器监视输出波形。输出端毫伏表的指示值与输入信号1mv的比值，就是差模增益Ad。,CMRR：,共模增益测量,两输入端相连，输入一中间频率、1mv（有效值）的正弦信号。用示波器监视输出波形。输出端毫伏表的指示值与输入信号1mv的比值，就是共模增益Ac。,计算CMRR：,短路噪声测量,将输入端接地短路。用示波器观察输出噪声的蜂蜂值。在用正弦波信号输入示波器比较，调整正弦波所占格子与噪声相同。正弦波的大小除上差模增益，就是短路噪声。,隔离级设计,为了人体安全，通常生物电测量技术采用浮地形式，以便实现人体与电气设备的隔离。,所谓浮地（或浮置），即信号在传递过程中，不是利用一个公共的接地点逐级的往下传送。而是利用诸如电磁耦合或光电偶合等隔离技术。,信号从浮地部分传递到接地部分，两部分之间没有电路上的直接联系，通过地线产生的漏电流被抑制。不但保障人体的安全，而且消除了地线中的干扰电流。,两种方式,1.电磁耦合，经变压器传递信号。,2.光电耦合，用光电器件传递信号。使用较多。,电磁耦合,其原理是将与病人相连的心电放大器的前置部分完全与地绝缘，从而使得病人与大地之间没有漏电流。保护病人安全。,因为变压器不可能传递低频、直流信号。所以先通过调制电路，把低频信号调制在高频载波上，经过变压器耦合，再解调，恢复信号。,光电耦合,辐射部件发光二极管,辐射探测器为光电晶体管（如图），也可为光电二极管。,光电耦合重量轻、成本低廉，所以应用广泛。,心电放大器设计,（一）心电信号源及其等效电路,考虑到引线电阻,对于实际情况：R,B1,，R,B2,较小，主要取决于R,F,Rs。,两支路的内阻抗不平衡：,各电极的极化电势大小不一：,联系上述已讲的信号源内阻和极化电压对测量的影响,（二）心电放大器输入阻抗和频率响应,1.输入阻抗,输入阻抗Z,i,愈大，增益稳定性愈高,联系上述已讲放大器高输入阻抗的必要性。,2.频率响应,心电信号的高频截止频率一般定在100Hz，100Hz以上的谐波分量太小。高频心电图可到2K Hz。,低频截止频率一般定在 ，,时间常数,三、心电测量中的干扰,1、50Hz磁场感应,各种仪器的电源变压器均是50Hz磁场源，它对心电引线组成的环路可感应出电势。,1、50Hz磁场感应,设,在一般病房中，,50Hz的磁场感应电势是一个,差动,电势，它将与心电信号有同样倍率的放大。,因此要尽量减小其值的大小。,如果心电信号为1,mV,，要将,m,限制在心电信号的1%以下，即,m,1,mV,/100=10V，,代入上式解出SC,D1,。,C,D1,和C,D2,构成了分压电路，在放大器两端引入了一个,共模,的干扰电压,共模电压,若C,D1,=0.2pF，C,D2,=2pF，则,由于这个电压过大，会超出心电放大器的输入动态范围，必须消除,可采用,右腿接地,，则人体与地面间的耦合电容视作C,D2,=被短路，强迫人体处于地位。,但是人体右腿接地,存在接地阻抗,，因此,无法彻底,消除50Hz共模干扰电压,右腿接地时，50Hz位移电流由引线引入的位移电流和人体引入的位移电流之分。,1）引线引入的位移电流,Z,1,和Z,2,为皮肤接触阻抗，Z,G,为接地阻抗。,50Hz差动干扰电压,50Hz共模干扰电压,例如，当I,D1,=I,D2,=6nA,Z,1,-Z,2,=5k欧，U,AB,=30,v,同样Z,G,不为0，所以U,C,不为0。所以右腿接地不完全消除共模干扰。,由此可知，尽量使Z,1,=Z,2,，而 与ID,2,一般是相等的，这样差动干扰电压U,AB,约等于0。,另外为了减小共模干扰电压U,C,，则要减小Z,G,。引线采用电屏蔽层，可将位移电流引入大地，而不进入人体。,（2）人体引入的位移电流,由于放大器的输入阻抗很高，人体引入的位移电流只能经由接地阻抗Z,G,流入大地。,若两臂间有位移电流I,D,，则,差动干扰电压,共模干扰电压,当,I,D,=0.1uA,Z,1,=Z,2,=400欧，U,d,=80uv,Z,L,，,Z,R,为,两臂内阻,综上，50Hz位移电流是引进50Hz差动和共模干扰的主要原因。,对于差动干扰：,采用屏蔽引线,使人体远离馈电线。,对于共模干扰：,认真清理和湿润皮肤表面或涂上导电胶，降低皮肤接触阻抗和不平衡程度。,接地良好，减小接地阻抗，从而抑制共模干扰,肌电干扰,肌电信号是由于信号伸缩时，肌肉细胞产生的复合电位。而人体各部位运动常是不规则的。因此对于心电信号，肌电是随机干扰信号。,为消除肌电干扰，被测试者要安静舒适地躺在台上，呼吸也要求平缓，尽可能使肌肉处于静息状态，以减小动作电位。,（四）放大器共模抑制比,抑制共模干扰，方法有两种,1）提高CMRR。,2）右腿共模反馈法。,CMRR的提高,增大Zi,提高Ad(除了上述源阻抗以外，分析差动电路电阻失配的影响）,共模干扰电压引线屏蔽层,差动电路电阻失配对CMRR的影响,为失配度,CMRR,随着电阻失配度的增大，CMRR下降。,而提高A,d,则可增大CMRR。,引线屏蔽层与芯线间的电容Cs1,Cs2。大约为200-300pF,在50Hz下容抗为几个兆欧，与放大器输入阻抗大小接近。,若接地，Cs1,Cs2的分流效应明显减小放大器输入阻抗。此外，分流效应不均衡，将使得放大器CMRR大大下降。,若不接地，而用取自放大器的反馈共模电压来驱动引线屏蔽层。则Cs1,Cs2两端均承受共模电压Uc，结果使Cs1,Cs2,对共模电压不产生分流效应。,如下图。,2、右腿共模反馈,前面已讲述，虽然右腿接地了，但由于接地阻抗Z,G,的存在，还不能完全消除共模电压U,c,如果设法将输入至心电放大器的共模电压倒相后反馈至右腿，以抵消右腿上的共模电压U,c,，结果可消除U,c,。,如下图。,四个电极的平均电压，即人体共模干扰电压。通过反相，加到人体右腿。与人体共模干扰电压相抵消。,滤波器,滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉噪声和干扰信号，保留下有用信号。,1.按信号性质分类,3.按电路功能分类:,低通滤波器；高通滤波器；,带通滤波器；带阻滤波器,2.按所用元件分类,模拟滤波器和数字滤波器,无源滤波器和有源滤波器,4.按阶数分类:,一阶，二阶 高阶,滤波器,传递函数：,幅频特性,相频特性,滤,波,器,传递函数的定义,R,C,R,1.一阶RC,低通滤波器(无源),传递函数,幅频特性,一.,低通滤波器,0,1,0.707,0,截止频率,此电路的缺点：,1、带负载能力差。,2、无放大作用。,3、特性不理想，边沿不陡。,幅频特性、幅频特性曲线,R,R,1,R,F,C,+,-,+,2.一阶有源低通滤波器,RC,传递函数中出现,的一次项,故称为一阶滤波器,幅频特性：,R,R,1,R,F,C,+,-,+,幅频特性及幅频特性曲线,0,1+R,F,/R,1,0.707(1+R,F,/R,1,),0,传递函数,RC,1、,时：,有放大作用,3、,运放输出，带负载能力强。,2、,时：,幅频特性与一阶无源低通滤波器类似,电路特点:,3.二阶有源低通滤波器,R,R,1,R,F,C,+,-,+,C,R,P,，A,0,=1+R,F,/R,1,传递函数中出现,的二次项,故称为二阶滤波器,，,幅频特性曲线,二.高通滤波器,R,R,1,R,F,C,+,-,+,高通,1.一阶有源高通滤波器,幅频特性及幅频特性曲线,幅频特性：,0,0,1+R,F,/R,1,0.707(1+R,F,/R,1,),0,R,R,1,R,F,C,+,-,+,2.二阶有源高通滤波器,由此绘出频率响应特性曲线,(1)通带增益,(2)频率响应,其中：,，,频率响应特性曲线,可由低通和高通串联得到,必须满足,低通特征角频率,高通特征角频率,三.有源带通滤波器,可由低通和高通并联得到,必须满足,有源带阻滤波器,有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。,心电放大滤波器,1、50Hz有源带阻滤波器,在心电放大器中是用于抑制50Hz市电的干扰。,阻容元件按下式匹配：,调节电位器P，可改变滤波器的Q值。即右图所示频响曲线的平坦程度。实线为高Q值,用带阻滤波器，不仅滤去了50Hz干扰，也使得R波失真。设计时不轻易使用。,2、有源带通滤波器,这种滤波电路的作用是只允许某一段频带内的信号通过，而此通频带下限频率低和比上限频率高的信号都被阻断。,心电电极,为了降低心电电极的极化电压和接触阻抗，目前已采用性能优良的银氯化银电极来取代旧式的镀银铜电极。,此外，还采用了更新更优良的电极。,1、带有缓冲放大器的电极,一般将缓冲放大器装置在电极内，有如下三个优点：,(1)消除了电极皮肤接触电阻对放大器抗干扰能力的影响。,引线引入的位移电流,I,D,流经缓冲放大器的输出阻抗Z,01,和Z,02,，而不是流经电极皮肤接触电阻Z,1,和Z,2,。,Z,01,和Z,02,小到几欧姆，,Z,01,-Z,02,就更小，所以在心电放大器输入端A、B间的差动干扰电压,I,D,(Z,01,-Z,02,)就很小。,即消除了电极皮肤接触电阻Z,1,和Z,2,过大或不平衡对放大器抗干扰能力的影响。,（2）引线晃动会改变,Z,1,和Z,2,，由于缓冲级的存在，,Z,1,和Z,2,的改变不会影响心电放大器的抗干扰能力，因为与心电放大器连接的是,Z,01,和Z,02,。,（3）由于加入了缓冲级，使心电放大器输入端信号源内阻变成,Z,01,和Z,02,，而不是,Z,1,和Z,2,，因此设计时心电放大器的输入阻抗可大大下降，使 ，,从而消除Cs的不平衡对CMRR的影响。因此在实用上，引线的长短影响不大。,2、电容式绝缘电极,缓冲放大器也是在电极内的，电极与皮肤间是完全绝缘的，相当于电极与皮肤间有一个5000PF的电容，为了获得2秒的时间常数，缓冲放大器的输入阻抗应高于400兆欧。,可消除电极极化电压。第二章p.40。,