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1、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,差动放大器（直流放大器）,各种生物电信号中包含了频率很低的成分，还会遇到很多不变化或变化很慢的信号。这些直流或接近直流的慢变化信号不能用阻容耦合放大器进行放大，需要频带从零开始的直流放大器。直流放大器将面临两个问题：一是前级和后级的静态工作点互相影响，二是零点漂移问题。前级引起的零点漂移电压，再被后级放大，最后将掩盖正常的输出。而差动放大电路因其具有特殊的电路结构，能够有效地抑制零点漂移，被广泛应用于多级直接耦合放大电路的前置级。,电路结
2、构,基本差动放大电路由两个相同的共发射极放大电路组成。电路完全对称，即晶体管特性相同，电路参数也相同。电路中，ui1、ui2为分别加到两个输入端的输入信号电压，uo与uo1、uo2。都是输出信号电压，这些输入、输出电压信号可以是交流信号，也可以是直流信号。,输入信号可以从两个输人端同时输入（双端输入），也可以从一个输入端输入（单端输入），输出信号可以从两个晶体管集电极之间取出（双端输出），也可以从一个晶体管的集电极取出（单端输出），根据实际需要，可灵活选择各种输入输出方式。,信号输入方式,(1)共模输入 输入两个电压大小相等、极性相同的输入信号称为共模输入。此时，因电路结构对称，两管集电极电位
3、的变化大小相等，极性相同，所以在双端输出电压uo保持为零。可见，在电路完全对称的理想情况下，差动放大器在输入共模信号时不产生输出电压。这时的电压放大倍数定义为共模电压放大倍数Ac，即Ac=Uo/Uic。理想情况下，差动放大电路的共模电压放大倍数为零。但实际上电路完全对称是很难做到的，所以实际的差动放大电路的共模电压放大倍数是一个很小的数。,差动放大电路因温度变化或电源波动，引起两管集电极电位的变化，可看成是在输入端施加了等效的共模信号。因此，电路的对称性越好，抑制零漂的能力越强；抑制共模信号的能力越强，共模电压放大倍数就越小。即差动放大电路的共模电压放大倍数越小，其抑制零漂的能力就越强。,(2
4、)差模输入 输入两个电压的大小相等、极性相反的输入信号称为差模输入。若设ui1=(1/2)uid，ui2=-(1/2)uid，则ui1- ui2= uid，此时，两晶体管电流和集电极电位的变化是相反的。在双端输出时，输出电压的变化量是每个管子集电极电位变化量的两倍。 当输入差模信号uid、输出电压Uo时，两者之比即为差模放大倍数，用Ad表示。设单管放大电路的电压放大倍数为A1，则：,上式表明，用两个晶体管组成的差动放大电路，双端输出时的电压放大倍数与单管共发射极放大电路的电压放大倍数相同。实际上这种电路是以牺牲一个管子的放大作用为代价换取了对零漂的抑制能力。,(3)任意信号输入 两个输入信号电
5、压既非共模又非差模，其大小和极性都是任意的，称为任意信号输入。针对这种信号通常是将它们分解成既包含有差模信号分量，又包含有共模信号分量的合成信号。通过差动放大电路后，其共模信号分量受到抑制，而差模信号分量才能得到放大，即体现了差动放大电路在输入信号有差别时，才动作（放大）的特点。,共模抑制比,为了说明差动放大电路抑制共模信号和放大差模信号的能力，常用共模抑制比作为衡量指标，其定义为：差模电压放大倍数Ad与共模电压放大倍数Ac的模值之比。记作CMRR，即： 共模抑制比越大，放大电路的性能就越好。,【小结】,1.放大电路的实质是用小信号控制大信号，以实现信号放大作用。对于放大电路的分析包括静态分析
6、和动态分析两个方面。静态分析用来确定放大电路的静态工作点。动态分析通常采用估算法和图解法来分析放大电路的工作状态、非线性失真，确定动态范围和最佳工作点。 2.共发射极电路具有较大的电压放大倍数、较小的输入电阻和较大的输出电阻。多级放大电路由单级放大电路级联组成，级间常采用阻容耦合和直接耦合的连接方式。,【小结】,3.直接耦合放大电路既可以放大交流信号，又可以放大缓慢变化的信号。零点漂移是其突出问题。差动放大电路用来放大差模信号，抑制共模信号。 4.放大电路存在非线性失真（截止失真和饱和失真）等现象，可通过选择元件参数、设置合适的工作点、采用一些稳定工作点的措施、减小输入信号等方法来削弱和消除。
7、,运算放大器,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。集成电路有小规模SSI、中规模MSI、大规模LSI和超大规模VLSI之分，目前超大规模集成电路中每块芯片上制有上亿个元件，而芯片面积仅有几个平方毫米。,集成电路按功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路。模拟集成电路种类很多，有运算放大器、功率放大器、模拟乘法器、模数和数模转换器、稳压电源等。在模拟集成电路中，集成电路运算放大器（简称集成运放）
8、是应用非常广泛的一种。,1. 集成运算放大器简介,运算放大器简称为运放，集成运放是一种高电压放大倍数的多级直接耦合放大器，因最早用于模拟计算机对输入信号进行模拟运算而得名。随着半导体制造技术的不断进步，集成运放已成为一种通用的高性能放大器。具有性能稳定、可靠性高、寿命长、体积小、重量轻、耗电量少等优点，广泛应用于自动控制、精密测量、通信、电源等电子技术应用领域，可完成放大、振荡、调制、解调以及模拟信号的各种运算和脉冲信号的产生等。,2.集成运放的组成,集成运放通常由输入放大级、中间电压放大级、输出级以及偏置电路等四部分组成。输入级采用差动放大电路，输入阻抗高、零点漂移小、抗共模干扰能力强；中间
9、级一般由共发射极放大电路构成，主要用于高增益的电压放大；输出级与负载相接，输出阻抗低、带负载能力强、能够提供足够大的电压与电流；偏置电路的作用是给上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。,集成运放的基本组成,在电路中，常用上图所示的电路符号表示运算放大器。它有两个输入端和一个输出端。反相输入端标“-”号，同相输入端标“+”号。输出电压与反相输入电压相位相反，与同相输入电压相位相同。此外还有两个端分别接正、负电源，有些集成运放还有调零端和相位补偿端。在电路中不画出。,集成运放的主要性能指标,(1)输入失调电压UIO： 对于理想集成运放，当输入电压为零时，输出电压应该为零。但由
10、于制造工艺等原因，实际的集成运放在输入电压为零时，输出电压常不为零。为了使输出电压为零，需在输入端加一适当的直流补偿电压，这个输入电压叫做输入失调电压UIO，其值等于输入电压为零时，输出的电压折算到输入端的电压值。UIO一般为毫伏级，它的大小反映了差动输入级的对称程度，失调电压越大，集成运放的对称性越差。,(2)输入失调电流IIO： 输入失调电流是指输入信号为零时，两个输入端静态电流之差，一般为输入静态偏置电流的十分之一左右。IIO是由差动输入级两个晶体管的值不一致所引起的。 (3)开环电压放大倍数Au： 开环电压放大倍数是指集成运放在无外接反馈电路时的差模电压放大倍数。一般运放的Au都很大，
11、一般为104107。,(4)输入阻抗ri和输出阻抗ro： 输入阻抗ri是指运放开环运用时，从两个输入端看进去的动态阻抗，它等于两个输入端之间的电压Ui变化与其引起的输入电流Ii的变化之比，ri越大越好。输出阻抗ro是指运放开环运用时，从输出端与地端看进去的动态阻抗。一般在几百欧姆之内。 (5)共模抑制比CMRR： 共模抑制比是指集成运放开环运用时，差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比。CMRR值越大，抗共模干扰能力越强，一般集成运放的CMRR都可达到80dB，高质量的集成运放可达l00dB以上。,3.集成运算放大器的理想模型,集成运放理想化的条件是：开环电压放大倍数Au，输入阻抗ri，输出阻
12、抗ro0，共模抑制比CMRR，输入信号为零时，输出电压为0，且特性不随温度而变化。由此，理想运放在线性运用时有以下两个重要的结论： 运放两个输入端的电压近似相等，即U+U-： 因为Au，则Ui=U+-U-=Uo/Au=0，所以U+=U-。 两个输入端的输入电流近似为零，即Ii0。 因为ri，所以有：I+=I-=0。,反相放大器的闭环放大倍数,式中的负号表示输入 与输出反相；,同相放大器的闭环放大倍数,4.测量放大器,在生物信号检测中，由于生物医学信号幅度小、信号源内阻大、环境干扰引起的共模干扰大，因此获取信号要求用输入阻抗高和高共模抑制比的放大器，这种通用放大器就是测量放大器。它的基本作用是把
13、微弱的生物电信号进行放大，使其可以进一步被处理、记录或显示。目前，通用测量放大器一般采用同相并联型差分放大器的电路形式，它具有输入阻抗高、共模抑制比大和增益可调等优点，因而广泛应用于生物医学信号检测中，目前心电图机前置放大器多采用此电路。,左图是同相并联型差分放大器即测量放大器的电路原理图，其第一级是由两个运放A1、A2组成，信号由两个同相输入差分放大器输入，因而有很高的输入阻抗。第二级是由A3构成的基本差分放大器。A3是电路具有高共模抑制比的主要环节，只要保证A3的外围电阻具有对称性，就可以使电路具有很高的共模抑制比。通过分析可以得出，该电路的放大倍数为：,负反馈放大器,1.负反馈的概念及分
14、类 反馈就是把一个系统的全部或部分输出信号通过某种环节，送回到输入端，与系统的输入信号相叠加，以改善系统性能的措施。从反馈信号与原输入信号的相位关系来看，当反馈信号与原信号相位相反时，减弱了输入信号，称负反馈。,使用了负反馈技术的放大电路称为负反馈放大器，如图1.35所示，图中Ui为输入信号，Uo为输出信号，Uf为反馈信号，A0为放大器的放大倍数，F为反馈系数，它等于反馈信号与输出信号之比，即F=Uf/Uo，Ui为Ui与Uf合成之后的实际输入信号。,关于负反馈的方式，从反馈信号与输出电压或输出电流成正比的关系来分：当反馈信号与输出电压的大小成正比时，称电压负反馈；与输出电流大小成正比时，称电流
15、负反馈。从反馈信号与输入信号的连接方式来分：当反馈信号与输入信号是串联在一起控制输入信号电压大小的，称为串联负反馈；与输入信号是并联在一起控制输入信号电流大小的，称为并联负反馈。归纳起来，负反馈共有四种方式，即电流串联负反馈、电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流并联负反馈。,2.负反馈对放大器性能的改善,放大器加入负反馈环节，虽然削弱了输入信号，减小了放大倍数，但却使放大电路的很多性能得到了改善。如使放大倍数更稳定，通频带加宽，放大器非线性失真变小，同时也改变了输入电阻和输出电阻。,(1)放大倍数更稳定,基本放大器的放大倍数为Ao=Uo/Ui，而包括负反馈电路在内的整个负反馈放大器的放大倍数为
16、AF，AF=Ao/(1+AoF)，式中AoF的大小决定了AF值的大小，被称为负反馈深度，它的数值越大，AF就越小，即说明负反馈的作用就越强。当AoFl时，AFl/F，称此电路具有深度负反馈，此时的电压放大倍数AF完全由负反馈电路参数决定。,环境温度变化、元器件老化、电流电压变化及负载的变化等原因都会使放大器的放大倍数发生变化。引入负反馈后，尤其是深度负反馈，放大器的闭环放大倍数只取决于反馈网络的参数而与基本放大的特性无关，而反馈网络又多由性能稳定的无源线性元件（如电阻、电容等）组成，因此，整个放大器的放大倍数就很稳定。,如果某些原因使输出信号减小，则反馈信号也减小，使净输入信号增大，通过负反馈对输入端信号进行修正，由此牵制了输出信号的减小，使放大器比较稳定地工作。其中电流负反馈稳定输出电流，电压负反馈稳定输出电压。,(2)通频带加宽,放大器都有一定的频带宽度，超过这一频带范围，放大倍数将显著减小。引入负反馈，可以展宽放大器的频带。由式AFl/F可知，在深度负反馈下，AF不随A变化，而仅取决于F。若选用纯电阻元件构成的
