山东大学：《医学电子仪器原理与技术》课程电子教案（PPT课件）第一章 医学电子仪器与基础电子电路（2/4）

数字逻辑电路 直流稳压电路 电子振荡电路 生物医学放大电路 半导体器件的基础知识 医学电子仪器的分类 医学电子仪器的特点 与基础电子电路 第一章医学电子仪器

第一章医学电子仪器 与基础电子电路 ⚫ 医学电子仪器的特点 ⚫ 医学电子仪器的分类 ⚫ 半导体器件的基础知识 ⚫ 生物医学放大电路 ⚫ 电子振荡电路 ⚫ 直流稳压电路 ⚫ 数字逻辑电路

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

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 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

放大电路 “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， Uss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，R,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 i, r=UL。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A 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。 =UU=A.∠p

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R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 10uV-5mV (典型值1mV) 0.05-80 心 0.05-80 电 心脏电极 (典型值50mV) 胎儿心电 (典型值10μV) 2~100 脑 头皮电极 10-200μV (典型值50μV) 0.5-100 电 颅内电极 10μV~100mV (典型值500μV) 0.5~100 肌肉电图 20μV-1mV 10~5000(或10-2500) 细胞内电极 100~+200uV(典型值100uV) DC-2000(或1-10000) 细胞外电极 (典型值50μV) DC~1000(或1-1000) 视网膜电图 0-1mV (典型值100μV) DC-25(或0.05-20) 眼电图 0.5-5mV (典型值100μV) DC-20 胃电图 (典型值20mV) 0.05-20 平滑肌电图 0.5~100mV DC-1 血 动脉（直接式） 30~300mmHg DC~20(或DC~100) 静脉（直接式） -10-+20mmHg DC-20 收缩压（间接式）】 50-300mmHg 压 舒张压（间接式） 20~60mmHg 一 脉搏波 可变 0.1-20(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 3~40L/min 0.05-60(或DC-60) 心率 45-180次/分 0.75-3 主动脉血流速度 18-22cm/s DC-50 血流量 0.05-200ml/s DC~50 毛细血管流速度 0.3-0.7mm/s DC-50 呼吸流量 250-300ml/s (峰值3000ml/s) DC~2 呼吸频率 0.2-0.4s 0.2-0.4 体 口腔 36.7℃~37.7℃（正常值） 腋窝 36.0℃-37.4℃（正常值） 二 直肠 36.9℃~37.9℃（正常值） 温 体温测量范围 35℃~42℃ 二 皮肤电阻 1-500kn 人体电阻 100-2000n 二 POx 0~800mmHg DC~1 PCO 1~1000mmHg