大连理工大学：《生物（医学）电子学 Bioelectronics》课程教学资源（PPT课件讲稿）第四章 生物医学信号的放大

生物电子 第四章生物医学信号的放大

生物电子学 第四章 生物医学信号的放大

41生物电放大器的前置级 ◆1.基本要求 高输入阻抗 ◆生物信号是高内阻的弱信号源 ◆电极提取时,呈不稳定高内阻源特性 内阻因人而异,且因生理状况而异 与电极的位置有关 ◆源阻抗不稳定,导致放大器电压增益不稳定 源阻抗是频率的 典型结构 生物(医学)电子学

生物（医学）电子学 2 4.1 生物电放大器的前置级 1. 基本要求 ◼ 高输入阻抗  生物信号是高内阻的弱信号源  电极提取时，呈不稳定高内阻源特性  内阻因人而异，且因生理状况而异  与电极的位置有关  源阻抗不稳定，导致放大器电压增益不稳定  源阻抗是频率的  典型结构

Rr RsL El CI R C R R R E 2 Z41 Z 2 l 生物(医学)电子学 3

生物（医学）电子学 3 us Cs1 Cs2 Rs1 Rs2 E1 E2 C1 C2 Ri Ri RT1 RT 2 u0 s u Ri Ri 0 u uCM Zs1 Zs2

L=生物信号电压 Rn1,R2=人体电阻几十~几百9 Ra,R2=电极与皮肤的接触电阻几K~150K2 E1E2=电极极化电压几十~几百m CnC2=电极与皮肤之间的分徊容几~几十PF Ra,R2=信号线和放大器输入护电阻<30K92 R=放大器输入电阻 1-2 信号线对地电 生物(医学)电子学

生物（医学）电子学 4 信号线对地电容 放大器输入电阻 信号线和放大器输入保护电阻 电极与皮肤之间的分布电 容 几 几 十 电极极化电压 几 十 几 百 电极与皮肤的接触电阻几 人体电阻 几 十 几 百 生物信号电压 = = =   = = =  =  = 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 , , , 30 , , ~ , , ~ , , ~ 150 , , ~ C C R R R K C C PF E E mV R R K K R R u i c c s s s s T T s

◆电路计算 R1+ R+Rn≈+R31+Rn 1+ joSi 。2≈R72+R2+R2 例:z=Z。2=100K2,取Z1=10Mg 则Z,Z2的变化可以忽略 d s1+2s2+22 Z的影响可以忽略 生物(医学)电子学 5

生物（医学）电子学 5 电路计算 . , 2 , . : 100 , 10 1 0 1 2 0 1 2 1 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 的影响可以忽略 则 的变化可以忽略 例 取 s s i i d s d d s s i i s s s s s i s T s L L T s L s s s T Z Z Z Z A U U A A Z Z Z Z U U Z Z Z Z K Z M Z R R R R R R R j C R Z R +  = = + + = = =  =   + + +  + + + = + 

◆部分生物电放大器的参数 ECG EEG UEP EMG 输入阻抗 >IM >5M >20M >100M 输入短路噪声 80dB >100dB >80dB 频带 0.05-250Hz 0.5~70HLz 0.5~3KHz 2-IOKHZ 生物(医学)电子学 6

生物（医学）电子学 6 部分生物电放大器的参数 ECG EEG UEP EMG 输入阻抗 >1M >5M >200M >100M 输入短路噪声 60dB >80dB >100dB >80dB 频带 0.05~250Hz 0.5~70Hz 0.5~3KHz 2~10KHz

高共模抑制比 ◆为了抑制人体携带的工频干扰及其它生活干扰,需高CMRR (60~80dB) ◆源阻抗Zs1与Zs2的不平衡会造成输入转化为差模输入,造成 干扰 ◆解决的办法,提高放大器的输入阻抗。 ◆参见前面的图 UCM为共模输入电压 CM Z:+2 B CM 2 由于Z≠Z,共模电压转化成差模电压 若Z>Z或Z2 则UA一U≈U CM AZs=Zs2=5K,Zi=lM,UCM=10mv 则UA-Un=10V 生物(医学)电子学

生物（医学）电子学 7 ◼ 高共模抑制比  为了抑制人体携带的工频干扰及其它生活干扰，需高CMRR （60~80dB）  源阻抗Zs1与Zs2的不平衡会造成输入转化为差模输入，造成 干扰。  解决的办法，提高放大器的输入阻抗。  参见前面的图： U U V Z Z K Z M U mV Z Z Z U U U Z Z Z Z Z Z Z Z U U Z Z Z U U U A B s s i CM i s s A B CM i s s s s i s i B CM i s i A CM CM 10 5 , 1 , 10 , , 1 2 2 1 1 2 1 2 1 2 − = = = = = − −    + = + = 则 若 则 若 或 由于 共模电压转化成差模电压 为共模输入电压

◆差动放大器电路分析 ■理想情况 d +-1 R RF l R ,1+=1=0 R R3 有:u=(1 RR+R i2 R 其中:l=1xR、B,Rn, rr+Rr R R F od RR+rr 生物(医学)电子学

生物（医学）电子学 8 差动放大器电路分析 ◼ 理想情况 + - R1 R2 RF 0 u R3 + uid − 2 1 − uid + 2 1 ic u i1 u i2 u [(1 ) ] / 2 : [(1 ) ] (1 ) , 0 2 1 , 2 1 ( ), 2 1 2 3 1 3 1 0 2 3 1 3 1 0 1 1 2 2 3 3 1 0 1 2 1 2 2 1 i d F F d i c F F c u F i F i i c i d i i c i d i c i i i d i i u R R R R R R R u u R R R R R R R u u R R u R R R R R u u u I I u u u u u u u u u u u u + + = + − + = + − + = + = = = = − = + = − = − + − + − 其中 有： 

若选择电路参数使 (x、 R RR F 0 r R2+ R3 则无共模输出此外还需满足 R1∥RF=R2∥R3 得到 r=R. R =R3 理想闭环增益为一 =2=-2=Rn R 生物(医学)电子学

生物（医学）电子学 9 2 1 1 0 0 1 2 3 1 2 3 2 3 1 3 1 , : // // . , (1 ) 0 , R R u u u u u A R R R R R R R R R R R R R R R F i d i i d F F F F = − = = = = = − = + + 理想闭环增益为 得到 则无共模输出此外 还需满足 若选择电路参数 使

实际情况 ◆电阻值有误差 ◆外回路不能达到完全对称平衡 UoC很小,但不为0,CMRR也不为无穷大 定义 ◆ CMRRR:外电路电阻匹配精度所限定的放大器共模抑制比 ◆ CMRRD:集成器件本身的共模抑制比 ■分析放大器的共模增益 Oc R R R (1+ RI R2+R3 RI []考虑电阻的匹配误差 设:R1=R1(1±S1),R2=R2(1±2) R3=R3(1±63),R4=R4(1±o4) 上面各式代入41,有 ±δ1千δF千δ2±δ3±δ12千 R (1±1)(1±o2)+(1±δ1)(1+δ2) 生物(医学)电R学 10

生物（医学）电子学 10 ◼ 实际情况  电阻值有误差  外回路不能达到完全对称平衡  Uoc很小，但不为0，CMRR也不为无穷大 ◼ 定义  CMRRR：外电路电阻匹配精度所限定的放大器共模抑制比  CMRRD: 集成器件本身的共模抑制比 ◼ 分析放大器的共模增益 (1 )(1 ) (1 )(1 ) , (1 ), (1 ) : (1 ), (1 ), [ ] (1 ) 1 2 1 1 2 1 2 3 1 2 2 1 1 3 3 3 4 4 4 1 1 1 2 2 2 2 3 1 3 1 0 1                   +      = =  =  =  =  − + = = + F F F c c F F i c c c R R A A R R R R R R R R I R R R R R R R U U A    上面各式代入 有 设 考虑电阻的匹配误差