生物医学信号放大器

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1、第三章第三章 生物医学常用放大器生物医学常用放大器从人体获得的生物医学信号，再经过滤 波、放大、显示等一系列处理过程，才能为 医学研究和临床诊断提供可靠的客观依据。 本章在前面放大电路基本原理的基础上 ，首先介绍生物电信号特点、频谱及常用的 几种滤波电路，然后重点讨论负反馈放大器 、直流放大器的工作原理及特点，最后简述 功率放大器。 第一节 生物医学信号的特点及频谱 第二节 常用滤波电路 第三节 负反馈放大器 第四节 直流放大器 第五节 功率放大器主要内容主要内容第一节第一节 生物医学信号的特点及频谱生物医学信号的特点及频谱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

2、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。 生物电信号的频带主要在低频和超低 频范围内，各

3、种生物电中包含了频率很低的成 分。在第二章中介绍的阻容耦合多级放大器很难 通过这种频率的信号，所以本章将介绍适应这种 频率特点的直流放大器。 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。一一. . 生物电信号的特点及其放大器生物电信号的特点及其放大器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

4、 。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。生物体的阻抗很高，这意味着生物 信号源不仅输出电压幅度低，而且提供 电流的能力也很差，因此要求生物电放 大器的前级必须具有很高的输入阻抗， 以防止生物电信号的衰减，但高输入阻 抗易引入外界干扰，特别是市电50Hz的 干扰，为了提高放大器输入信噪比，常 常加入50Hz陷波器。生物电信号的信噪比较低，这是由于生 物体内各种无规律的电活动在生物电信号中 形成噪声，有些生物电信号被其他更强的电 活动所淹没，如希氏束电图H波，只有1 10V，比心电信号弱得多，再有胎儿心电 信号的幅度约为5V，比母体心电信号弱很 多，使噪声电压超出生物

5、电信号电压。当无 用信号掩盖了有用信号时，提取这些电信号 就需要借助于微弱信号检测技术。总之，为适应生物医学信号频率 较低且频带较宽、阻抗较高且幅度较 低和信噪比较小的特点，必须选用低 截止频率、高输入阻抗和放大倍数稳 定的放大器。二二. . 生物医学信号的频谱生物医学信号的频谱实际的信号波形是很复杂的，大多不是 正弦波，但借助频谱分析的方法，这种非正 弦式周期波形可以被分解为数目足够多的， 幅度不同、频率不同、初位相不同的正弦波 。 1.周期性波形的频谱非正弦式周期波形包含多种频率的正弦波成分 。用数学表达为：式中当n=1时，fn为f1，是非正弦式周期 波的重复频率，称为基频。此频率的正弦波

6、称 为基波，其它正弦波的频率fn都是基频的整数 倍，称为n倍频，相应的正弦波为n次谐波。 以频率为横轴，振幅为纵轴，在横轴 上找到所有振幅不为零的正弦波的频率并 引出垂线，其长度表示相应的振幅an，这 种图称为振幅频谱，也常简称为频谱 (spectrum)。而an2组成功率频谱，简称为 功率谱。各种频率成分的初位相声。组成 的位相谱，称为位相频谱。 基波和二次谐波的振幅 相同，初位相为零。基波和二次谐波的振幅 相同，但二次谐波的初 位相为/2。从下面的 位相频谱图中可以看到 。2. 脉冲波形的频谱在电子学中把在时间上短促的波形称为脉冲 (impulse)。单个孤立的波形可以用一系列正弦波 的叠

7、加来组成，频率可取连续值，且具有连续频谱 。连续频谱的波形叠加用积分式表达为：式中Af和f分别为振幅和位相频谱。 矩形脉冲的宽度为 ，高度为1，面积为1。波形的中 点在时间坐标t的零点。频谱的横坐标按照f划分，频率以1/为单位，其振幅频谱 有正负振幅不断摆动，且延伸很远，范围与1/ 成正比。 钟罩形波， 为波形下降到最大值的0.6065所需时间 ，1/(2 f)为脉冲的高度，面积为1。它的频谱很平滑。由这两个脉冲的频谱图可见：脉冲愈 宽，愈平滑，则频谱范围愈窄；相反，波 形愈陡峭所含谐波愈多，频谱范围愈宽， 特别是突然变化的脉冲波形更是如此。如人体动脉压力波形比较平滑，根据 频谱分析大约含有1

8、0个谐波，而心电波形 ，因它含有比较陡的R波，故大约含有 3060个谐波。高频脉冲：即振幅 随一个脉冲波形变化的 高频振荡。图(a)表示振 幅随一脉冲波形变化的 高频振荡，图(b)是它的 频谱，可以从原先脉冲 的频谱得到。把原先脉 冲的频谱对称地向负频 率侧延伸，然后向右移 动f0的距离，就得到。可见，高频脉冲的 频谱形状是由脉冲频谱 决定的，高频脉冲的频 谱位置是高频振荡频率 来决定。在对生物体的一切生物医学信号进行分 析时，如心电分析、脑电分析和脉波分析， 常利用频谱分析手段，从中提取有用的生物 信号作为临床诊断的依据。第二节第二节 常用滤波电路常用滤波电路 根据生物医学信号特点的分析，

9、以及生物电信号进入放大器前还要混 入干扰的具体情况，一般在放大器等 处理装置前加有滤波器。所谓滤波器就是一种使有用信号 顺利通过，而使无用信号被消除或衰 减的电子电路。在滤波电路中必须包 括与频率有关的元件如电容和电感。 生物医学仪器中的滤波电路，通常由 电容器和电阻器组合而成。在滤波理论中，通常把能够通过的信 号频率范围定义为通带，而把消除或衰减 的信号频率范围定义为阻带。通带和阻带 的界限频率，包括下限频率和上限频率。 具体电路有高通和低通滤波，带通和 带阻滤波，双T滤波和50Hz陷波等。一一. . 高通滤波高通滤波高通滤波只允许信号中高频成分顺利通过，且衰减 很小，而消除或减弱低频噪声。

10、电压传输函数为：式中，URf是uR中频率为f的交流成分 的有效值，Uf是电路中频率为f的总电压的 有效值。输出电压URf比总电压有效值Uf超前一 位相R。滤波特点： (1)当频率很低时，f 1，Tf=1，高频成分 能顺利通过，且位相也不改变。 (3) fL=1/ 2RC为下限频率，通频带为fL。 (4)在阻容耦合放大器中，级间用RC电路耦合 信号从电阻两端输出，同时也起到高通滤波 的作用。 二二. . 低通滤波器低通滤波器 与高通滤波器相反的低通滤波器，只允许信号中的低频成 分顺利通过，且衰减很小，进而达到消除或减弱混在信号中 的高频噪声的目的。其电路的电压传输函数为：式中，UCf是uC中频率

11、为f的交流成分的 有效值，Uf是电路中频率为f的总电压的有效 值。输出电压UCf比总电压有效值Uf超落后 一位相c 。滤波特点： (1)当频率很低时，f/fH1，Tf=0，高频成分 被衰减，有低通的作用。 (3) fH=1/ 2RC为上限频率，通频带为0fH。 (4)共发射极电路中的电流放大系数随频频率变变 化的关系式表明，晶体管也有低通滤滤波的 作用。三三. . 带通滤波带通滤波 带通滤波器就是只允许通 过一个频带中的信号成分，在 这个频带之外的信号成分则被 衰减。其电路由高通滤波和低 通滤波共同组合而成，频率特 性如图所示，fH-fL为其通频带 的范围。电路的重要参数是品质因 数Q，定义为

12、：(1) 当Q值低时，此电路的选频本领小 ，允许较宽的频带范围的生物医学信号通 过，称宽带滤波。 对于生物医学放大器中经常遇到数十 千赫以下的低频信号，电阻和电容就可以 组成带通滤波器，最简单的低频宽带(低Q 值)滤波器可由高通和低通滤波器共同组合 而成，其允许通过的频带由fL和fH决定。(2) 当Q值高时，此电路称为选频电路， 其选频本领大，只允许较窄频率范围的信号 通过，称窄带滤波 。 对于数兆赫以上高频信号，只有用电阻 、电容和电感结合起来才能组成高频窄带(高 Q值)滤波器，而对低频生物医学信号只有电 阻、电容和放大器结合起来，才能组成低频 窄带(高Q值)的滤波器。四四. . 带阻滤波带

13、阻滤波带阻滤波只选择性的衰减一个频带内的信号 ，而在这个频带范围之外的信号成分都可无衰减的 通过。其电压传输系数如图3-8所示。 高Q值带阻滤波器，称 选频电路，也称陷波器。双T选频电路，由高通 滤波和低通滤波组合而成的 。信号输入中的低频成分可 以从上通道(既低通滤波器) 传输，而高频成分可以从下 通道(即高通滤波器)传输， 而对于信号中的中间频率成 分，上下两通道均可以通过 ，其中通过低通滤波器传输 出来的电压位相落后，通过 高通滤波器传输出来的电压 位相超前，它们再分别经过 电阻和电容两路传输出来的 ，电压位相差更大，在某个适当的中间频率下 ，两路输出电压幅度相等 ，且位相相反，输出总电

14、 压为零，起到了使这个中 间频率的信号被衰减的作 用，即有陷波作用。中间频率即陷波频率f0和Q值，经理论 证明分别由上式给出。中间频率不受负载影响。当接上负载后 ，Q值一般比输出端开路时要低。另外，由 于电阻和电容总有些误差，各个电阻和电容 不能严格保持图中标示的比值(或等值)，在 中间频率处的传输系数将不等于零。因而品 质因数也低于理论值。 这个电路在生物医学放大器中，常将f0 选为50Hz，用来滤掉50Hz的市电干扰，称 50Hz陷波器。实际应用中希望Q值很高，只对50Hz波 有陷波作用，但上面电路的品质因数太小， 很难达到要求。只有与放大器组合起来，才 能提高选频能力，即达到高Q值，这种

15、高Q 值的滤波器称为有源滤波。以上滤波器均为 无源滤波器。第三节第三节 负反馈放大器负反馈放大器一.反馈的基本概念和分类反馈(feedback)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。在电子学中反馈一般是通过跨接在输入端和输 出端之间的性能比较稳定的线性元件，如电阻来完 成。将放大器的输出电压或输出电流的一部分或全 部送回到输入端，与输入信号叠加后再送入放大器 中，如图3-10所示。图中ui为输入信号，uo为输出信号，uf为 反馈信号，K0为放大器的放大倍数，F为反馈 系数(feedback coefficient)，它等于反馈信 号与输出信号之比，即F=uf/uo，u

16、i为ui与uf 合成之后的实际输入信号。从反馈信号与原输入信号的相位关系来 看：当反馈信号与原输入信号同相位时，即 加强了输入信号，使放大倍数提高，这种反 馈称为正反馈(positive feedback)。反之， 当反馈信号与原信号反相位时，即减弱了输 入信号，称负反馈(negative feedback)。正反馈虽然可以提高放大倍数，但失真 度大，频带变窄，严重的甚至会引起振荡， 使放大器无法工作，所以在放大器中一般不 采用正反馈，而在振荡器中则需要利用正反 馈。 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看：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，称电流负反馈。从反馈信号与输入信号的连接方式来看： 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