《医学电子仪器原理与技术》课程教学资源（PPT课件讲稿）第一章 医学电子仪器与基础电子电路 1.4 生物医学放大电路

14生物医学放大电路 放大器的一般概念 放大器的主要功能是不失真地放大电信号。 如雷达、电视、广播等接收到的信号都十分 微弱,经放大器放大后才可显示、量测和做 其他处理。又如自然界许多待测、待控的非 电物理量,如温度、压力、位移、声音等 经换能器(也称传感器)变换为电量后也需 要放大器放大。可以说,放大器是电子设备 中必不可少的最常用、最基本的单元电路

1.4 生物医学放大电路 放大器的一般概念 放大器的主要功能是不失真地放大电信号。 如雷达、电视、广播等接收到的信号都十分 微弱，经放大器放大后才可显示、量测和做 其他处理。又如自然界许多待测、待控的非 电物理量，如温度、压力、位移、声音等， 经换能器（也称传感器）变换为电量后也需 要放大器放大。可以说，放大器是电子设备 中必不可少的最常用、最基本的单元电路

传感器 前置电压放大 功率放大一负载 放大器一般由多级构成,前面若干级为前置电压 放大器,用于放大信号电压,最后是功率放大器, 用于得到较大的信号功率去驱动负载,如继电器、 扬声器、仪表、电机等。放大器根据用途可分为 电压放大器和功率放大器,根据工作频率放大器 又可分为直流放大器和交流放大器。此外,根据 电路结构还可分为分立元件放大器和集成放大器, 目前,在直流及中、低频范围,集成放大器的应 用最为广泛

放大器一般由多级构成，前面若干级为前置电压 放大器，用于放大信号电压，最后是功率放大器， 用于得到较大的信号功率去驱动负载，如继电器、 扬声器、仪表、电机等。放大器根据用途可分为 电压放大器和功率放大器，根据工作频率放大器 又可分为直流放大器和交流放大器。此外，根据 电路结构还可分为分立元件放大器和集成放大器， 目前，在直流及中、低频范围，集成放大器的应 用最为广泛

Rs U 放大电路 U “放大”的实质是用微弱的(信号)能量控制较 大的能量传输。由于集成电路的普遍应用,针对 放大器而言,人们越来越关注它们的外部特性, 即输入输出特性。各种放大器均可用双端口电路 框图表示。图中,U、Ⅰ及R表示需要放大的信 号,U表示放大电路的输入电压,U表示输出电 压,R1表示放大器所驱动的负载电阻。为描述和 评价放大器性能的优劣,引入了输入电阻、输出 电阻、电压放大倍数、通频带一些动态性能指标

“放大”的实质是用微弱的（信号）能量控制较 大的能量传输。由于集成电路的普遍应用，针对 放大器而言，人们越来越关注它们的外部特性， 即输入输出特性。各种放大器均可用双端口电路 框图表示。图中，US、IS及RS表示需要放大的信 号，Ui表示放大电路的输入电压，UO表示输出电 压，RL表示放大器所驱动的负载电阻。为描述和 评价放大器性能的优劣，引入了输入电阻、输出 电阻、电压放大倍数、通频带一些动态性能指标

1输入电阻r 放大器对于信号源而言,相当于一个负载,在 中频范围内可等效为一个电阻,即为输入电阻 r;r;=U/,。放大器工作时必须从信号源取电 流,所取电流的大小表示了放大器对信号源的 影响程度,当信号源内阻为R时,R与输入电 阻形成分压器,即U/U=r/(R+r),显然,输 入电阻r越大,放大器从信号源所取电流越小, U越接近U’因此输入电阻r越大越好

1.输入电阻ri 放大器对于信号源而言，相当于一个负载，在 中频范围内可等效为一个电阻，即为输入电阻 ri，ri=Ui /Ii。放大器工作时必须从信号源取电 流，所取电流的大小表示了放大器对信号源的 影响程度，当信号源内阻为Rs时，Rs与输入电 阻形成分压器，即Ui /Us=ri /(Rs+ri )，显然，输 入电阻ri越大，放大器从信号源所取电流越小， Ui越接近Us，因此输入电阻ri越大越好

2输出电阻r 放大器对负载而言,相当于一个信号 源),根据等效电源定理,放大器的输 出特性可等效为一个电压源,其内阻即 为放大器的输出电阻,用r,表示。对于负 载而言,放大器的输出电阻r越小,负载 电阻的变化对输出电压U的影响越小 放大器带负载能力越强,因而总希望r越 小越好

2.输出电阻ro 放大器对负载而言，相当于一个信号 源），根据等效电源定理，放大器的输 出特性可等效为一个电压源，其内阻即 为放大器的输出电阻，用ro表示。对于负 载而言，放大器的输出电阻ro越小，负载 电阻的变化对输出电压Uo的影响越小， 放大器带负载能力越强，因而总希望ro越 小越好

3电压放大倍数An 电压放大倍数A是衡量放大器放大能力 的一个指标,规定输出电压的变化量与 输入电压的变化量之比为电压放大倍数 A,即A=△U/△U,当放大电路电流 电压为正弦量时,电压放大倍数就是输 出电压相量与输入电压相量之比,即A =U0/U=An∠

3.电压放大倍数Au 电压放大倍数Au是衡量放大器放大能力 的一个指标，规定输出电压的变化量与 输入电压的变化量之比为电压放大倍数 Au，即Au =△Uo /△Ui，当放大电路电流 电压为正弦量时，电压放大倍数就是输 出电压相量与输入电压相量之比，即Au ＝U0 /Ui=Au∠φ

综上所述:电压放大倍数A是评价放大 器放大能力的一个主要指标,为了减小 信号内阻R对放大倍数的影响,应尽可 能提高输入电阻。为减小负载电阻R1对 放大倍数的影响,应尽可能减小输出电 阻r。因此对电压放大器的基本要求是要 有足够高的电压放大倍数和尽可能不失 真的输入信号的变化

综上所述：电压放大倍数Au是评价放大 器放大能力的一个主要指标，为了减小 信号内阻Rs对放大倍数的影响，应尽可 能提高输入电阻。为减小负载电阻RL对 放大倍数的影响，应尽可能减小输出电 阻ro。因此对电压放大器的基本要求是要 有足够高的电压放大倍数和尽可能不失 真的输入信号的变化

生物医学信号的特点及对放大器要求 携带生物信息的信号称为生物信号。其中生物电信号 是由于人体内各种神经细胞自发地或在各种刺激下产 生和传递的电脉冲,肌肉在进行机械活动时也伴有电 活动所产生的信号,如心电、脑电、肌电等。非生物 电信号是由于人体各种非电活动产生的信号,如心音 血压波、呼吸、体温等。医学中还常通过在人体上施 加一些物理因素的方法来获得生物信号,如各种阻抗 图,它以数十千赫交流电通过人体的一定部位,获得 阻抗或导纳变化的波形图;又如超声波诊断仪器,它 向人体发射脉冲式的超声波,通过回波方式获得的生 物信号。另外还有通过在体外检测人体样品的仪器 生理参数遥测仪器和放射性探测仪器等获取的生物信 号。上述诸多的生物信号被统称为生物医学信号

生物医学信号的特点及对放大器要求 携带生物信息的信号称为生物信号。其中生物电信号 是由于人体内各种神经细胞自发地或在各种刺激下产 生和传递的电脉冲，肌肉在进行机械活动时也伴有电 活动所产生的信号，如心电、脑电、肌电等。非生物 电信号是由于人体各种非电活动产生的信号，如心音、 血压波、呼吸、体温等。医学中还常通过在人体上施 加一些物理因素的方法来获得生物信号，如各种阻抗 图，它以数十千赫交流电通过人体的一定部位，获得 阻抗或导纳变化的波形图；又如超声波诊断仪器，它 向人体发射脉冲式的超声波，通过回波方式获得的生 物信号。另外还有通过在体外检测人体样品的仪器、 生理参数遥测仪器和放射性探测仪器等获取的生物信 号。上述诸多的生物信号被统称为生物医学信号

生理参量 幅度范围 主要频率范围(Hz) 表面电极 10v-5mv(典型值1mV) 0.05~80 电心脏电极 典型值50mV) 0.05~80 胎儿心电 (典型值10V) 脑头皮电极 10~200V(典型值50pV) 电颅内电极 10V-10mV(典型值500V) 0.5~100 肌肉电图 10~500(或10~2500) 细胞内电极 100+20V(典型值100)0DC-200或1-000 细胞外电极 (典型值50V) 视网膜 0~1mV(典型值100V) C~25(或0.05~20) 眼电图 0.5-5mV(典型值100pV) 胃电图 (典型值20mV) 0.05~20 平滑肌电图 0.5~100mV 血动脉(直接式) 20(或DC~100) 静脉(直接式) 10~+20mmHg 收缩压(间接式) 50-300mmHg 压舒张压(间接式) 20~60mmH 脉搏波 可变 01~20(或0.1~50) 心音 可变 主要20~300(一般为2~2000) 容积脉搏 可变 DC~20 心输出量 心率 45-180次/分 0.75~3 主动脉血流速度 18-22m/s DC~50 血流量 DC~50 毛细血管血流速度 03~0.7mm/s 呼吸流量 250~300ml/s 峰值3000m/s) 呼吸频率 0.2~0.4s 0.2~0.4 体 口腔 36.7℃~377℃(正常值) 腋窝 360℃~37.4℃(正常值) 直肠 369℃~37.9℃(正常值) 温体温测量范围 皮肤电阻 人体电阻 100~2000 0-800mmHg 1-100mH1g

生物电信号的频带主要在低频和超低频范围内,因 此要求放大器有较低的频响,甚至是直流放大器。 通常生物电信号的幅度较低,只有毫伏级甚至微伏 级,而普通的电子元件的噪声相当于数微伏无规则 电压,为了使生物电信号不被噪声淹没,放大器的 前级必须选用高质量的电阻和电容,低噪声的场效 应管,电源也要采取特殊稳定的措施。另外生物电 信号的整个频带中要求放大器的放大倍数稳定、均 匀,在信号幅度范围内具有良好的线性。对于生物 电放大器来讲,电压放大倍数一般都较高。放大倍 数越高,保持稳定就越困难。为了使输出波形不失 真,必须采取一定的电路技术,如负反馈放大技术

生物电信号的频带主要在低频和超低频范围内，因 此要求放大器有较低的频响，甚至是直流放大器。 通常生物电信号的幅度较低，只有毫伏级甚至微伏 级，而普通的电子元件的噪声相当于数微伏无规则 电压，为了使生物电信号不被噪声淹没，放大器的 前级必须选用高质量的电阻和电容，低噪声的场效 应管，电源也要采取特殊稳定的措施。另外生物电 信号的整个频带中要求放大器的放大倍数稳定、均 匀，在信号幅度范围内具有良好的线性。对于生物 电放大器来讲，电压放大倍数一般都较高。放大倍 数越高，保持稳定就越困难。为了使输出波形不失 真，必须采取一定的电路技术，如负反馈放大技术