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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为医学研究和临床诊断提供可靠的客观依据。据。 本章在前面放大电路基本原理的基础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，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。最后简述功率放大器。 1第
2、一节第一节 生物医学信号的特点及频生物医学信号的特点及频谱谱第二节第二节 常用滤波电路常用滤波电路第三节第三节 负反馈放大器负反馈放大器第四节第四节 直流放大器直流放大器第五节第五节 功率放大器功率放大器主要内容主要内容2 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。其中携带生物信息的信号称为生物信号。其中生物电信号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、
3、肌电等。所产生的信号，如心电、脑电、肌电等。非生物电信号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、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
4、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。被统称为生物医学信号。 34 生生物物电电信信号号的的频频带带主主要要在在低低频频和和超超低低频频范范围围内内，各各种种生生物物电电中中包包含含了了频频率率很很低低的的成成分分。在在第第二二章章中中介介绍绍的的阻阻容容耦耦合合多多级级放放大大器器很很难难通通过过这这种种频频率率的的信信号号，所所以以本本章章将将介介绍绍适适应应这种频率特
5、点的直流放大器。这种频率特点的直流放大器。 通通常常生生物物电电信信号号的的幅幅度度较较低低，只只有有毫毫伏伏级级甚甚至至微微伏伏级级，而而普普通通的的电电子子元元件件的的噪噪声声相相当当于于数数微微伏伏无无规规则则电电压压，为为了了使使生生物物电电信信号号不不被被噪噪声声淹淹没没，放放大大器器的的前前级级必必须须选选用用高高质质量量的的电电阻阻和和电电容容，低低噪噪声声的的场场效效应管，电源也要采取特殊稳定的措施。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5 另外生物电信号的整个频带中要求另外生物电信号的整个频带中要求放大器的放大器的放大倍
6、数稳定、均匀，在信号放大倍数稳定、均匀，在信号幅度范围内具有良好的线性幅度范围内具有良好的线性。对于生物。对于生物电放大器来讲，电压放大倍数一般都较电放大器来讲，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。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，必须采取一定为了使输出波形不失真，必须采取一定的电路技术，如的电路技术，如负反馈放大技术负反馈放大技术。6 生生物物体体的的阻阻抗抗很很高高，这这意意味味着着生生物物信信号号源源不不仅仅输输出出电电压压幅幅度度低低，而而且且提提供供电电流流的的能能力力也也很很差差，因因此此要要求求生生物物电电放放大大器器的的前前级级必必须
7、须具具有有很很高高的的输输入入阻阻抗抗，以以防防止止生生物物电电信信号号的的衰衰减减，但但高高输输入入阻阻抗抗易易引引入入外外界界干干扰扰，特特别别是是市市电电50Hz的的干干扰扰，为为了了提提高高放放大大器器输输入入信信噪噪比比，常常加入常常加入50Hz陷波器。陷波器。7 生生物物电电信信号号的的信信噪噪比比较较低低，这这是是由由于于生生物物体体内内各各种种无无规规律律的的电电活活动动在在生生物物电电信信号号中中形形成成噪噪声声，有有些些生生物物电电信信号号被被其其他他更更强强的的电电活活动动所所淹淹没没，如如希希氏氏束束电电图图H波波，只只有有110V，比比心心电电信信号号弱弱得得多多，再
8、再有有胎胎儿儿心心电电信信号号的的幅幅度度约约为为5V，比比母母体体心心电电信信号号弱弱很很多多，使使噪噪声声电电压压超超出出生生物物电电信信号号电电压压。当当无无用用信信号号掩掩盖盖了了有有用用信信号号时时，提提取取这这些些电电信信号号就就需需要要借借助助于于微微弱弱信信号号检检测测技术。技术。8 总总之之，为为适适应应生生物物医医学学信信号号频频率率较较低低且且频频带带较较宽宽、阻阻抗抗较较高高且且幅幅度度较较低低和和信信噪噪比比较较小小的的特特点点，必必须须选选用用低低截截止止频频率率、高高输输入入阻阻抗抗和和放放大大倍倍数数稳稳定的放大器。定的放大器。9二二. 生物医学信号的频谱生物医
9、学信号的频谱 实际的信号波形是很复杂的，大多不是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、初位相不同的的，幅度不同、频率不同、初位相不同的正弦波。正弦波。 101.周期性波形的频谱周期性波形的频谱 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：分。用数学表达为： 式中当式中当n=1时，时，fn为为f1，是非正弦式周期，是非正弦式周期波的重复频率，称为波的重复频率，称为基频基频。此频率的正弦
10、波。此频率的正弦波称为称为基波基波，其它正弦波的频率，其它正弦波的频率fn都是基频的都是基频的整数倍，称为整数倍，称为n倍频，相应的正弦波为倍频，相应的正弦波为n次次谐谐波波。 11 以频率为横轴，振幅为纵轴，在横轴以频率为横轴，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引出垂线，其长度表示相应的振幅an，这，这种图称为振幅频谱，也常简称为种图称为振幅频谱，也常简称为频谱频谱(spectrum)。而。而an2组成功率频谱，简称组成功率频谱，简称为为功率谱功率谱。各种频率成分的初位相声。组。各种频率成分的初位相声。组成
11、的位相谱，称为成的位相谱，称为位相频谱位相频谱。 12基波和二次谐波的振幅基波和二次谐波的振幅相同，初位相为零。相同，初位相为零。基波和二次谐波的振幅基波和二次谐波的振幅相同，但二次谐波的初相同，但二次谐波的初位相为位相为/2/2。从下面的。从下面的位相频谱图中可以看到。位相频谱图中可以看到。132. 脉冲波形的频谱脉冲波形的频谱 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。单个孤立的波形可以用一系列正弦波的叠加来组成，频率可取连续值，且具有连续频的叠加来组成，频率可取连续值，且具有连续频谱。连续频谱的波形叠
12、加用积分式表达为：谱。连续频谱的波形叠加用积分式表达为： 式中式中Af和和f分别为振幅和位相频谱。分别为振幅和位相频谱。 14 矩形脉冲的宽度为矩形脉冲的宽度为 ，高度为，高度为1，面积为，面积为1。波形的中。波形的中点在时间坐标点在时间坐标t的零点。的零点。 频谱的横坐标按照频谱的横坐标按照f划分，频率以划分，频率以1/为单位，其振幅频谱为单位，其振幅频谱有正负振幅不断摆动，且延伸很远，范围与有正负振幅不断摆动，且延伸很远，范围与1/ 成正比。成正比。 15 钟罩形波，钟罩形波， 为波形下降到最大值的为波形下降到最大值的0.6065所需时间，所需时间，1/(2 f)为脉冲的高度，面积为为脉冲
13、的高度，面积为1。它的频谱很平滑。它的频谱很平滑。16 由这两个脉冲的频谱图可见：脉冲愈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，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。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，根据如人体动脉压力波形比较平滑，根据频谱分析大约含有频谱分析大约含有10个谐波，而心电波形，个谐波，而心电波形，因它含有比较陡的因它含有比较陡的R波，故大约含有波，故大约含有3060个谐波。个谐波。17 高频脉冲：即振幅高频脉冲：即振幅随
14、一个脉冲波形变化的随一个脉冲波形变化的高频振荡。图高频振荡。图(a)表示振表示振幅随一脉冲波形变化的幅随一脉冲波形变化的高频振荡，图高频振荡，图(b)是它的是它的频谱，可以从原先脉冲频谱，可以从原先脉冲的频谱得到。把原先脉的频谱得到。把原先脉冲的频谱对称地向负频冲的频谱对称地向负频率侧延伸，然后向右移率侧延伸，然后向右移动动f0的距离，就得到。的距离，就得到。 可见，高频脉冲的可见，高频脉冲的频谱形状是由脉冲频谱频谱形状是由脉冲频谱决定的，高频脉冲的频决定的，高频脉冲的频谱位置是高频振荡频率谱位置是高频振荡频率来决定。来决定。18 在对生物体的一切生物医学信号进行分在对生物体的一切生物医学信号
15、进行分析时，如心电分析、脑电分析和脉波分析，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。物信号作为临床诊断的依据。19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，根据生物医学信号特点的分析，以及生物电信号进入放大器前还要混以及生物电信号进入放大器前还要混入干扰的具体情况，一般在放大器等入干扰的具体情况，一般在放大器等处理装置前加有处理装置前加有滤波器滤波器。 所谓滤波器就是一种使有用信号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顺利通过，而使无用信号被消除或衰减
16、的电子电路。在滤波电路中必须包减的电子电路。在滤波电路中必须包括与频率有关的元件如电容和电感。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。电容器和电阻器组合而成。20在滤波理论中，通常把能够通过的信在滤波理论中，通常把能够通过的信号频率范围定义为号频率范围定义为通带通带，而把消除或衰减，而把消除或衰减的信号频率范围定义为的信号频率范围定义为阻带阻带。通带和阻带。通带和阻带的界限频率，包括的界限频率，包括下限频率下限频率和和上限频率上限频率。具体电路有高通和低通滤波，带通和具体电路有高通和低通滤波，带通和带阻滤波，双带阻
17、滤波，双T滤波和滤波和50Hz陷波等。陷波等。21一一. 高通滤波高通滤波 高高通通滤滤波波只只允允许许信信号号中中高高频频成成分分顺顺利利通通过过，且且衰衰减很小，而消除或减弱低频噪声。电压传输函数为：减很小，而消除或减弱低频噪声。电压传输函数为：22 式中，式中，URf是是uR中频率为中频率为f的交流成分的交流成分的有效值，的有效值，Uf是电路中频率为是电路中频率为f的总电压的的总电压的有效值。有效值。 输出电压输出电压URf比总电压有效值比总电压有效值Uf超前超前一位相一位相R。23滤波特点：滤波特点：(1)当频率很低时，当频率很低时，f 1，Tf=1，高频成分，高频成分能顺利通过，且位
18、相也不改变。能顺利通过，且位相也不改变。(3) fL=1/ 2RC为下限频率，通频带为为下限频率，通频带为fL。(4)在阻容耦合放大器中，级间用在阻容耦合放大器中，级间用RC电路耦合电路耦合信号从电阻两端输出，同时也起到高通滤信号从电阻两端输出，同时也起到高通滤波的作用。波的作用。 24二二. 低通滤波器低通滤波器 与与高高通通滤滤波波器器相相反反的的低低通通滤滤波波器器，只只允允许许信信号号中中的的低低频频成成分分顺顺利利通通过过，且且衰衰减减很很小小，进进而而达达到到消消除除或或减减弱弱混混在在信信号号中的高频噪声的目的。其电路的电压传输函数为：中的高频噪声的目的。其电路的电压传输函数为：
19、25 式中，式中，UCf是是uC中频率为中频率为f的交流成分的的交流成分的有效值，有效值，Uf是电路中频率为是电路中频率为f的总电压的有的总电压的有效值。效值。 输出电压输出电压UCf比总电压有效值比总电压有效值Uf超落后超落后一位相一位相c 。26滤波特点：滤波特点：(1)当频率很低时，当频率很低时，f/fH1，Tf=0，高频成分，高频成分被衰减，有低通的作用。被衰减，有低通的作用。(3) fH=1/ 2RC为上限频率，通频带为为上限频率，通频带为0fH。(4)共发射极电路中的电流放大系数共发射极电路中的电流放大系数随频率随频率变化的关系式表明，晶体管也有低通滤波变化的关系式表明，晶体管也有
20、低通滤波的作用。的作用。27三三. 带通滤波带通滤波 带带通通滤滤波波器器就就是是只只允允许许通通过过一一个个频频带带中中的的信信号号成成分分，在在这这个个频频带带之之外外的的信信号号成成分分则则被被衰衰减减。其其电电路路由由高高通通滤滤波波和和低低通通滤滤波波共共同同组组合合而而成成，频频率率特特性性如如图图所所示示，fH-fL为为其其通频带的范围。通频带的范围。 电电路路的的重重要要参参数数是是品品质质因因数数Q，定义为：，定义为：28(1) 当当Q值低时，此电路的选频本领值低时，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小，允许较宽的频带范围的生物医学信号通过，称通过，称宽带滤
21、波。宽带滤波。对于生物医学放大器中经常遇到数十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，最简单的低频宽带组成带通滤波器，最简单的低频宽带(低低Q值值)滤波器可由高通和低通滤波器共同组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合而成，其允许通过的频带由fL和和fH决定。决定。29(2) 当当Q值高时，此电路称为选频电路，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其选频本领大，只允许较窄频率范围的信号通过，称通过，称窄带滤波窄带滤波 。对于数兆赫以上高频信号，只有用电阻、对于数兆赫
22、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电容和电感结合起来才能组成高频窄带(高高Q值值)滤波器，而对低频生物医学信号只有电滤波器，而对低频生物医学信号只有电阻、电容和放大器结合起来，才能组成低频阻、电容和放大器结合起来，才能组成低频窄带窄带(高高Q值值)的滤波器。的滤波器。30四四. 带阻滤波带阻滤波 带阻滤波只选择性的衰减一个频带内的信号，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通过。其电压传输系数如图3-8所示。所示。 31 高高Q值带阻滤波器，值带阻滤波器，称选
23、频电路，也称陷波器。称选频电路，也称陷波器。 双双T选频电路，由高选频电路，由高通滤波和低通滤波组合而通滤波和低通滤波组合而成的。信号输入中的低频成的。信号输入中的低频成分可以从上通道成分可以从上通道(既低通既低通滤波器滤波器)传输，而高频成分传输，而高频成分可以从下通道可以从下通道(即高通滤波即高通滤波器器)传输，而对于信号中的传输，而对于信号中的中间频率成分，上下两通中间频率成分，上下两通道均可以通过，其中通过道均可以通过，其中通过低通滤波器传输出来的电低通滤波器传输出来的电压位相落后，通过高通滤压位相落后，通过高通滤波器传输出来的电压位相波器传输出来的电压位相超前，它们再分别经过电超前，
24、它们再分别经过电阻和电容两路传输出来的，阻和电容两路传输出来的，电压位相差更大，电压位相差更大，在某个适当的中间频率下，在某个适当的中间频率下，两路输出电压幅度相等，两路输出电压幅度相等，且位相相反，输出总电压且位相相反，输出总电压为零，起到了使这个中间为零，起到了使这个中间频率的信号被衰减的作用，频率的信号被衰减的作用，即有陷波作用。即有陷波作用。32 中间频率即陷波频率中间频率即陷波频率f0和和Q值，经理论值，经理论证明分别由上式给出。证明分别由上式给出。 中间频率不受负载影响。当接上负载中间频率不受负载影响。当接上负载后，后，Q值一般比输出端开路时要低。另外，值一般比输出端开路时要低。另
25、外，由于电阻和电容总有些误差，各个电阻和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电容不能严格保持图中标示的比值(或等值或等值)，在中间频率处的传输系数将不等于零。，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。因而品质因数也低于理论值。 33 这个电路在生物医学放大器中，常将这个电路在生物医学放大器中，常将f0选为选为50Hz，用来滤掉，用来滤掉50Hz的市电干扰，称的市电干扰，称50Hz陷波器。陷波器。 实际应用中希望实际应用中希望Q值很高，只对值很高，只对50Hz波有陷波作用，但上面电路的品质因数太波有陷波作用，但上面电路的品质因数太小，很难达到要求
26、。只有与放大器组合起小，很难达到要求。只有与放大器组合起来，才能提高选频能力，即达到高来，才能提高选频能力，即达到高Q值，这值，这种高种高Q 值的滤波器称为有源滤波。以上滤值的滤波器称为有源滤波。以上滤波器均为无源滤波器。波器均为无源滤波器。34第三节第三节 负反馈放大器负反馈放大器一一.反馈的基本概念和分类反馈的基本概念和分类 反馈反馈(feedback)就是把一个系统的全部或部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。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
27、电阻输出端之间的性能比较稳定的线性元件，如电阻来完成。来完成。 将放大器的输出电压或输出电流的一部分或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，如图大器中，如图3-10所示。所示。35 图中图中ui为输入信号，为输入信号，uo为输出信号，为输出信号，uf为反馈信号，为反馈信号，K0为放大器的放大倍数，为放大器的放大倍数，F为为反馈系数反馈系数(feedback coefficient)，它等于反，它等于反馈信号与输出信号之比，即馈信号与输出信号之比，即F=uf/uo，ui为为ui与与uf合成之后的实际输入信
28、号。合成之后的实际输入信号。36 从反馈信号与原输入信号的相位关系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，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，这即加强了输入信号，使放大倍数提高，这种反馈称为种反馈称为正反馈正反馈(positive feedback)。反之，当反馈信号与原信号反相位时，即反之，当反馈信号与原信号反相位时，即减弱了输入信号，称减弱了输入信号，称负反馈负反馈(negative feedback)。 正反馈虽然可以提高放大倍数，但失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真度大，频带变窄，严
29、重的甚至会引起振荡，使放大器无法工作，所以在放大器中荡，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一般不采用正反馈，而在振荡器中则需要利用正反馈。利用正反馈。 37 关关于于负负反反馈馈的的方方式式，从从反反馈馈信信号号与与输输出出电电压压或或输输出出电电流流成成正正比比的的关关系系来来看看：当当反反馈馈信信号号与与输输出出电电压压的的大大小小成成正正比比时时，称称电电压压负负反反馈馈；与输出电流大小成正比时，称与输出电流大小成正比时，称电流负反馈电流负反馈。 从从反反馈馈信信号号与与输输入入信信号号的的连连接接方方式式来来看看：当当反反馈馈信信号号与与输输入入信信号
30、号是是串串联联在在一一起起控控制制输输入入信信号号电电压压大大小小的的，称称为为串串联联负负反反馈馈；与与输输入入信信号号是是并并联联在在一一起起控控制制输输入入信信号号电电流流大大小小的的，称称为为并并联联负负反反馈馈。归归纳纳起起来来，负负反反馈馈共共有有四四种种方方式式，即即电电流流串串联联负负反反馈馈、电电压压串串联联负负反反馈馈、电电压并联负反馈压并联负反馈、电流并联负反馈电流并联负反馈。 38二二. 几种负反馈电路几种负反馈电路1.电流串联负反馈电流串联负反馈 在分压式电流负反馈偏置电路中，在分压式电流负反馈偏置电路中，RE对直流起负反馈作用，使直流工作点对直流起负反馈作用，使直流
31、工作点稳定。稳定。 若若RE上的电容上的电容CE去掉，则去掉，则RE对交对交流也有负反馈作用。流也有负反馈作用。 39 当输入信号为正极性当输入信号为正极性时，基极电势升高，基极时，基极电势升高，基极电流和射极电流都增加。电流和射极电流都增加。由于射极电流通过由于射极电流通过RE，使，使射极电位升高，且射极电射极电位升高，且射极电流基本等于输出的集电极流基本等于输出的集电极电流，电流，所以射极电阻所以射极电阻RE上上电压与输出电流成正比，电压与输出电流成正比，射极电阻为反馈电阻，它射极电阻为反馈电阻，它上面的上面的反馈电压串联在基反馈电压串联在基极信号的电压上极信号的电压上，使晶体，使晶体管基
32、极所加电压变化量减管基极所加电压变化量减少，故少，故RE引起的反馈属于引起的反馈属于电流串联负反馈电流串联负反馈。 RE40 电阻电阻RE的阻值可认为比较稳定，即随温度变的阻值可认为比较稳定，即随温度变化较小，而晶体管化较小，而晶体管rbe和和的分散性很大，即使是同的分散性很大，即使是同一型号的同一批产品也有很大差别，其差别大约一型号的同一批产品也有很大差别，其差别大约在标准值的在标准值的0.72倍之间，且随温度而变化。除倍之间，且随温度而变化。除此之外，此之外，rbe还随电流变化，比较还随电流变化，比较gF和和g0可见，虽可见，虽然然gF小些。但更稳定和准确。小些。但更稳定和准确。 跨导跨导
33、无负反馈时的跨导无负反馈时的跨导41 放大器接入负载电阻放大器接入负载电阻RL后，电压放大倍数后，电压放大倍数KF要小，但要小，但KF稳定性好，且可以通过电阻值精确计稳定性好，且可以通过电阻值精确计算。算。 放大电路由于某种原因如晶体管参数变化造放大电路由于某种原因如晶体管参数变化造成输出电流变化，当加入电流负反馈后，可发生成输出电流变化，当加入电流负反馈后，可发生如下反馈过程：如下反馈过程： 说明不管是串联还是并联负反馈，只要是说明不管是串联还是并联负反馈，只要是电电流负反馈都具有稳定输出电流的作用流负反馈都具有稳定输出电流的作用，即放大器，即放大器具有恒流输出的特性，当放大器的输出电阻比负
34、具有恒流输出的特性，当放大器的输出电阻比负载电阻大得多时，即使负载变动时输出电流的变载电阻大得多时，即使负载变动时输出电流的变化也不会很大，所以说化也不会很大，所以说电流负反馈使放大器的输电流负反馈使放大器的输出电阻增大出电阻增大。 42 输入电压为输入电压为ui、输入电流为、输入电流为ib时，输入时，输入电阻为电阻为ri由由rbe增加了增加了 (+1)RE。即为。即为 ri=rbe (+1)RE 若考虑到信号源还向若考虑到信号源还向RB1、RB2供应电供应电流，放大器的总输入电阻应是流，放大器的总输入电阻应是 RB1/RB2/ri。 没有没有RE时，放大器的总输人电阻只是时，放大器的总输人电
35、阻只是RB1/RB2/rbe，可见，可见，串联负反馈显著地提串联负反馈显著地提高放大器的输入电阻。高放大器的输入电阻。432.电压串联负反馈电压串联负反馈 图示电路中，集电极图示电路中，集电极成为交流信号的输入与输成为交流信号的输入与输出的公共端。故该电路是出的公共端。故该电路是共集电极放大电路。共集电极放大电路。 其中其中RE为反馈电阻，为反馈电阻，RE上的电压既是反馈电压上的电压既是反馈电压也是该电路的全部输出电也是该电路的全部输出电压压uo。在输入回路中，。在输入回路中，RE上的反馈电压与加在晶体上的反馈电压与加在晶体管基极上的输入信号电压管基极上的输入信号电压是串联关系，它们相加的是串
36、联关系，它们相加的结果是使基极上输入电压结果是使基极上输入电压的变化量相应减少，故的变化量相应减少，故RE引出的反馈属于引出的反馈属于电压串联电压串联负反馈负反馈。 44 可见这个电路的电压放大倍数略小于可见这个电路的电压放大倍数略小于1，而且输出，而且输出电压与输入电压位相相同，输出电压跟随着输入电压变电压与输入电压位相相同，输出电压跟随着输入电压变化，所以电压串联负反馈电路称为化，所以电压串联负反馈电路称为射极跟随器射极跟随器，简称射，简称射跟器跟器(follower)。 此电路虽然不能对输入信号电压进行放大，但输出此电路虽然不能对输入信号电压进行放大，但输出电流却远比基极输入电流大。其功
37、率放大倍数为电流却远比基极输入电流大。其功率放大倍数为 Kp=p0/pi+1 故有故有放大电流和放大功率放大电流和放大功率的作用。的作用。 45 当信号源内阻当信号源内阻Rs0的条件下，的条件下，加入电加入电压负反馈压负反馈可发生下列反馈过程：放大电路可发生下列反馈过程：放大电路中由于中由于RL的减小而使输出电压的减小而使输出电压Uo减小，减小，If=Uo/RF，所以，所以If也减小，反馈量减小使输也减小，反馈量减小使输入电流入电流Ib增加，增加，IC也相应增加，从而牵制了也相应增加，从而牵制了Uo的减小，的减小，使输出电压基本维持恒定使输出电压基本维持恒定。 46 上面的反馈过程说明，不管是
38、串联还上面的反馈过程说明，不管是串联还是并联负反馈，只要是是并联负反馈，只要是电压负反馈都具有电压负反馈都具有稳稳 定输出电压的作用定输出电压的作用，即有恒压输出的特性；，即有恒压输出的特性；在放大器的输出电阻很小的条件下，即使在放大器的输出电阻很小的条件下，即使 负载变化了，输出电压变化也不会太大，因负载变化了，输出电压变化也不会太大，因为此时放大器的输出电阻上压降很小，可为此时放大器的输出电阻上压降很小，可见见 射极跟随器的输出电阻很小，所以说射极跟随器的输出电阻很小，所以说电压负电压负反馈使放大器的输出电阻减小。反馈使放大器的输出电阻减小。 47 根据放大器输入电阻定义，输入电阻根据放大
39、器输入电阻定义，输入电阻ri为：为： 若不考虑若不考虑RBl、RB2的分流作用，电路的输入的分流作用，电路的输入电阻由上式决定，可见电阻由上式决定，可见电压串联负反馈增加了输电压串联负反馈增加了输入电阻入电阻。 48 电压串联负反馈有很高的输入电阻，对生电压串联负反馈有很高的输入电阻，对生物医学信号的测量有重要意义。因为作为信号源物医学信号的测量有重要意义。因为作为信号源的生物体内阻很高，与生物体相连的放大器必须的生物体内阻很高，与生物体相连的放大器必须有高输入电阻，才能减少信号电压的损失，进而有高输入电阻，才能减少信号电压的损失，进而提高信噪比。提高信噪比。 由于由于电压串联负反馈有高输入电
40、阻、低输电压串联负反馈有高输入电阻、低输出电阻出电阻，所以在电子电路中，经常作为阻抗转换，所以在电子电路中，经常作为阻抗转换装置，相当于变压器作用，插在各级放大器中以装置，相当于变压器作用，插在各级放大器中以及信号源与放大器间的连接处。此外为了弥补晶及信号源与放大器间的连接处。此外为了弥补晶体管本身输入电阻低的不足，在医学上广泛应用体管本身输入电阻低的不足，在医学上广泛应用源极跟随器。源极跟随器。 但源跟器带负载能力仍较小，所以主要用但源跟器带负载能力仍较小，所以主要用于放大器的前级，作为高内阻信号源和前级放大于放大器的前级，作为高内阻信号源和前级放大器的阻抗转换器。器的阻抗转换器。 49 3
41、. 电压并联负反馈电压并联负反馈 ui和和ii增加时，增加时，ib的增加的增加导致导致uo下降，下降，RF上电流上电流if由由A点流出。可见，信号源流向点流出。可见，信号源流向基极的电流总是被反馈电流基极的电流总是被反馈电流分流出一部分，在分流出一部分，在A点点if是与是与流向基极的输入电流是并联流向基极的输入电流是并联关系。关系。ib总是小于总是小于ii，另外，另外if大小基本与输出电压大小成大小基本与输出电压大小成正比。故称正比。故称RF引出的反馈属引出的反馈属于于电压并联负反馈电压并联负反馈。 除此之外当除此之外当Rs=0时，时，ii与与if无关，反馈信号将不起无关，反馈信号将不起作用；
42、作用；Rs0且很大时，则反且很大时，则反馈影响最大。馈影响最大。 50 该电路中信号源提供的电流被反馈电流分流该电路中信号源提供的电流被反馈电流分流一部分，所以基极电流实际发生的改变较小，输一部分，所以基极电流实际发生的改变较小，输出电压较小，这使出电压较小，这使放大倍数降低放大倍数降低。电压并联负反。电压并联负反馈与电压串联负反馈一样都能馈与电压串联负反馈一样都能使放大器的输出电使放大器的输出电阻减小阻减小。同时，因有反馈支路的存在，信号源提。同时，因有反馈支路的存在，信号源提供的电流是供的电流是ii=ibe+if，比没有负反馈时增加，比没有负反馈时增加If量，即量，即信号源提供的电流变大，
43、相当于放大器的输入电信号源提供的电流变大，相当于放大器的输入电阻减小。阻减小。 RF在直流状态时还具有稳定工作点作用，例在直流状态时还具有稳定工作点作用，例如温度升高时，如温度升高时，和和ICEO增大，即增大，即IC增大，这时增大，这时Uo下降，偏流减少，这就使下降，偏流减少，这就使IC回降，维持工作点稳回降，维持工作点稳定。定。 51三三. 负反馈对放大器性能的改善负反馈对放大器性能的改善 放大器加进负反馈环节，虽然削弱了放大器加进负反馈环节，虽然削弱了输入信号，使放大倍数减小了，但是却使输入信号，使放大倍数减小了，但是却使放大电路的很多性能得到了改善。放大电路的很多性能得到了改善。 使放大
44、倍数更稳定，通频带加宽，放大使放大倍数更稳定，通频带加宽，放大器非线性失真变小，同时也改变了输入电器非线性失真变小，同时也改变了输入电阻和输出电阻。阻和输出电阻。521.放大倍数更稳定放大倍数更稳定 基本放大器的放大倍数为基本放大器的放大倍数为K0，包括负反馈，包括负反馈电路在内的整个负反馈放大器的放大倍数为电路在内的整个负反馈放大器的放大倍数为KF，表达示如下所示：，表达示如下所示： 式中式中K0F的大小决定了的大小决定了KF值的大小，称值的大小，称K0F为为负反馈深度负反馈深度，它的数值越大，它的数值越大，KF就越小，就越小，即说明负反馈的作用就越强。即说明负反馈的作用就越强。 53 在具
45、有深度负反馈时，在具有深度负反馈时，K0F1时，时，KF=1/F，这说明在具有深度负反馈时，电，这说明在具有深度负反馈时，电压放大倍数压放大倍数KF完全由负反馈电路参数决定，完全由负反馈电路参数决定，而与晶体管参数无关。由此排除了放大倍而与晶体管参数无关。由此排除了放大倍数受晶体管参数的分散性、晶体管参数由数受晶体管参数的分散性、晶体管参数由于长期使用时发生变化而造成的影响。于长期使用时发生变化而造成的影响。 54因负反馈电路通常由电阻组成，所以使因负反馈电路通常由电阻组成，所以使放大倍数稳定而且能精确计算和控制，基本放大倍数稳定而且能精确计算和控制，基本不受外界的影响。不受外界的影响。如果某
46、些原因使输出信号减小，则反馈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，使放大器比较稳定的工作，其信号的减小，使放大器比较稳定的工作，其中电流负反馈稳定输出电流，电压负反馈稳中电流负反馈稳定输出电流，电压负反馈稳定输出电压。定输出电压。552. 通频带加宽通频带加宽 频带的限制是由于放大器在不同频率上放大频带的限制是由于放大器在不同频率上放大倍数发生变化而造成的。而在加入负反馈后，倍数发生变化而造成的。而在加入负反馈后，排排除了放大倍数与放大
47、器中与频率有关因素的影响除了放大倍数与放大器中与频率有关因素的影响。这样可以使负反馈放大器的放大倍数在很宽的频这样可以使负反馈放大器的放大倍数在很宽的频率范围内都与频率无关。放大倍数在很宽的频率率范围内都与频率无关。放大倍数在很宽的频率范围内是稳定的，所以频带就展宽了。范围内是稳定的，所以频带就展宽了。 563. 非线性失真变小非线性失真变小 由于晶体管的由于晶体管的非线性，如果工作点非线性，如果工作点选择不合适，或输入选择不合适，或输入信号太大，都会造成信号太大，都会造成输出信号失真。如果输出信号失真。如果能能控制输入信号使其控制输入信号使其比较小比较小，失真的可能，失真的可能也就小些，工作
48、点的也就小些，工作点的位置选择范围也可适位置选择范围也可适当放宽一些。加进负当放宽一些。加进负反馈，使信号的电压反馈，使信号的电压或电流被反馈抵消一或电流被反馈抵消一部分，达到能控制输部分，达到能控制输入信号并使其比较小入信号并使其比较小的目的，所以可以减的目的，所以可以减少非线性失真。少非线性失真。 如上图所示，也可以解释为负如上图所示，也可以解释为负反馈技术是利用失真了的波形来改反馈技术是利用失真了的波形来改善波形的失真。善波形的失真。 571. 串联反馈使电路的输入电阻增大：串联反馈使电路的输入电阻增大：2. 并联反馈使电路的输入电阻减小：并联反馈使电路的输入电阻减小：3. 电压反馈使电
49、路的输出电阻减小：电压反馈使电路的输出电阻减小：4. 综合上面三种负反馈综合上面三种负反馈4. 电流反馈使电路的输出电阻增加：电流反馈使电路的输出电阻增加：58 在实际应用中电阻要产生热噪声，从而降在实际应用中电阻要产生热噪声，从而降低了放大器的信噪比，所以反馈环节的电阻不低了放大器的信噪比，所以反馈环节的电阻不宜太大。宜太大。 在放大电路中还存在着在线路图上看不出在放大电路中还存在着在线路图上看不出来的反馈环节，如电源寄生反馈，它主要是后来的反馈环节，如电源寄生反馈，它主要是后级的输出电流通过电源，由于电源总有些内阻，级的输出电流通过电源，由于电源总有些内阻，当后级的输出电流改变时，使电源电
50、压也随之当后级的输出电流改变时，使电源电压也随之改变，这个改变量作用到前级上，导致反馈，改变，这个改变量作用到前级上，导致反馈，且常常成为正反馈。这种寄生反馈不仅影响放且常常成为正反馈。这种寄生反馈不仅影响放大器性能，而且当正反馈过大时，还可使放大大器性能，而且当正反馈过大时，还可使放大器变成振荡器，不能正常工作。器变成振荡器，不能正常工作。 59 解决的方法可以采用：其一，另外加一解决的方法可以采用：其一，另外加一个电源，以供给最后一级的输出电流。个电源，以供给最后一级的输出电流。其二是增加低通滤波器，称之为其二是增加低通滤波器，称之为电源退电源退耦电路耦电路，滤掉电源电压波动。，滤掉电源电
51、压波动。 在电路中除电源的寄生反馈以外，在电路中除电源的寄生反馈以外，还有线路之间存在的分布电容，由于它还有线路之间存在的分布电容，由于它的影响，高频信号都有位相的变化，使的影响，高频信号都有位相的变化，使某些频率上的负反馈转变成正反馈，最某些频率上的负反馈转变成正反馈，最后导致正反馈过大，放大器因发生高频后导致正反馈过大，放大器因发生高频振荡而不能正常工作。振荡而不能正常工作。 60负反馈类型的判别法：负反馈类型的判别法：(1)用瞬时极性法来判别正、负反馈；用瞬时极性法来判别正、负反馈；(2)用输出短路法来判别电压、电流反用输出短路法来判别电压、电流反馈；馈；(3)用反馈信号在输入端连接方式
52、，来用反馈信号在输入端连接方式，来判别是串联反馈还是并联反馈；判别是串联反馈还是并联反馈； 61第四节第四节 直流放大器直流放大器 各种生物电信号中包含了频率很低的成各种生物电信号中包含了频率很低的成分，在胃液压力和分，在胃液压力和pH的测量中还会遇到很多的测量中还会遇到很多不变化或慢变化信号。不变化或慢变化信号。 这些直流或接近直流的慢变化信号不能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，因此需要频带用阻容耦合放大器进行放大，因此需要频带从零开始的直流放大器。从零开始的直流放大器。 直流放大器有直接放大和调制放大两种。直流放大器有直接放大和调制放大两种。 62 直流放大器面
53、临两个问题：一是各级直流放大器面临两个问题：一是各级直接耦合时没有隔直电容，直流电压相互直接耦合时没有隔直电容，直流电压相互不能隔离，使前、后级的不能隔离，使前、后级的静态工作点互相静态工作点互相影响影响。二是零点漂移问题。当输入为零而。二是零点漂移问题。当输入为零而输出不为零，且输出电压值在零点附近上输出不为零，且输出电压值在零点附近上下漂动且具随机性，这种现象称为下漂动且具随机性，这种现象称为零点漂零点漂移移(zero drift)。63造成零点漂移是由于元件的老化、电源造成零点漂移是由于元件的老化、电源电压的波动、特别是晶体管的参数随温度而电压的波动、特别是晶体管的参数随温度而变化等多种
54、原因造成的。零点漂移引起输出变化等多种原因造成的。零点漂移引起输出电压的变化与被放大的有用信号无法区别开，电压的变化与被放大的有用信号无法区别开，对于直流放大器，前级引起的零点漂移电压，对于直流放大器，前级引起的零点漂移电压，被后级放大，最后将掩盖正常输出。而差动被后级放大，最后将掩盖正常输出。而差动放大器是克服零点漂移和抑制外界干扰的直放大器是克服零点漂移和抑制外界干扰的直流放大器的主要电路形式。流放大器的主要电路形式。64一一. 直流放大器的级间耦合直流放大器的级间耦合 1. 后级接发射极电阻后级接发射极电阻RE 此时此时T2管的基射电压管的基射电压等于等于T1的集射电压减去的集射电压减去
55、RE上的电压。只要适当的选上的电压。只要适当的选择择RE的阻值，可使的阻值，可使T1管和管和T2管都有合适的工作点，都管都有合适的工作点，都工作在放大区，但工作在放大区，但RE的接的接入将产生电流负反馈，使入将产生电流负反馈，使第二级的放大倍数下降。第二级的放大倍数下降。且且RE值还逐级增大，电流值还逐级增大，电流负反馈逐渐加深，使放大负反馈逐渐加深，使放大倍数依然很小。倍数依然很小。65 2.后级发射极接二极管后级发射极接二极管或稳压二极管或稳压二极管 当二极管加上正向电压当二极管加上正向电压或稳压二极管加上反向或稳压二极管加上反向偏置电压时，流过它们偏置电压时，流过它们的电流在一定范围内变
56、的电流在一定范围内变化时，二极管两端的电化时，二极管两端的电压基本不变。用二极管压基本不变。用二极管的压降代替的压降代替RE的电压，的电压，可以保证可以保证T2管有合适的管有合适的静态工作点，静态工作点，且因二极且因二极管的交流电阻很小，所管的交流电阻很小，所以电流负反馈作用很小，以电流负反馈作用很小，从而可使电路的放大倍从而可使电路的放大倍数降低较小数降低较小。66 3辅助电源法辅助电源法 上述方法解决了级间电位上述方法解决了级间电位的耦合问题。为了得到较大的的耦合问题。为了得到较大的电压放大倍数，一般采取多级电压放大倍数，一般采取多级放大器，在共发射极放大电路放大器，在共发射极放大电路中，
57、每级集电极电位都高于基中，每级集电极电位都高于基极电位。结果使输出电位不断极电位。结果使输出电位不断上升，在一定电源电压下，能上升，在一定电源电压下，能够输出的电压幅度下降，所以够输出的电压幅度下降，所以必须采取相应措施补偿直流电必须采取相应措施补偿直流电位的偏移。位的偏移。 前级集电极用两个电阻前级集电极用两个电阻R1、R2连接在一个负的辅助电连接在一个负的辅助电源上，然后电阻源上，然后电阻R1、R2的连接的连接点与后级基极连接起来。只要点与后级基极连接起来。只要电阻选择合适，各级都可以有电阻选择合适，各级都可以有适当工作点，但信号经分压传适当工作点，但信号经分压传输会造成一些损失。输会造成
58、一些损失。67 4.交替使用互补管交替使用互补管 为了解决信号的损失，为了解决信号的损失，利用电源极性不同的互补管利用电源极性不同的互补管PNP与与NPN联合使用，可保联合使用，可保证各级有合理的工作点。证各级有合理的工作点。 利用利用PNP型晶体管集电型晶体管集电极电位比基极电位低，克服极电位比基极电位低，克服NPN型晶体管集电极电位逐型晶体管集电极电位逐级提高而造成的输出电位降级提高而造成的输出电位降低的缺点。低的缺点。 RC可选择较大数值，可选择较大数值，使输出电压有较大的变化范使输出电压有较大的变化范围。采用此种办法可省去辅围。采用此种办法可省去辅助电源，应用较多。助电源，应用较多。N
59、PNNPNPNPPNP68二二. 差分放大器差分放大器 1. 差分放大器差分放大器 差分放大器差分放大器(differential amplifier)又称差动又称差动放大器，放大器，由两个完全对称的共发射放大电路组成，由两个完全对称的共发射放大电路组成，两个晶体管参数相同，两侧集电极电阻相等，两两个晶体管参数相同，两侧集电极电阻相等，两侧基极电阻也相等。侧基极电阻也相等。69 信号从两管基极输入信号从两管基极输入(称双端输入称双端输入)，从，从两管的集电极输出两管的集电极输出(称双端输出称双端输出)，而且对输，而且对输入信号的要求是：两个基极输入信号大小入信号的要求是：两个基极输入信号大小相
60、等，位相相反，称相等，位相相反，称差模输入差模输入。 当没有输入信号电压时，电路中由于当没有输入信号电压时，电路中由于温度变化，引起两个晶体管集电极电流和温度变化，引起两个晶体管集电极电流和集电极电压相同的变化。如果将这两管的集电极电压相同的变化。如果将这两管的输出量折合到输入端，就相当在两个管的输出量折合到输入端，就相当在两个管的输入端分别加上大小相等，极性相同的输输入端分别加上大小相等，极性相同的输入信号，称为入信号，称为共模输入共模输入(common-mode input)，而输入的信号称为，而输入的信号称为共模信号共模信号(common-mode signal)。 70 在实际电路中共
61、模信号就是干扰或者是不在实际电路中共模信号就是干扰或者是不需要的信号，它的来源还可以由外部两条同样的需要的信号，它的来源还可以由外部两条同样的信号线上感应出来。当由两管集电极输出时，即信号线上感应出来。当由两管集电极输出时，即取差输出，理想情况下，两路的共模信号电压相取差输出，理想情况下，两路的共模信号电压相同，经过取差，输出电压为零，即没有输出。在同，经过取差，输出电压为零，即没有输出。在实际电路中，两个电路很难完全对称，两路集电实际电路中，两个电路很难完全对称，两路集电极输出电压不同，故还是有一些输出极输出电压不同，故还是有一些输出uod，此时，此时放大倍数表达式为：放大倍数表达式为： K
62、C为差分放大器的共模电压放大倍数，为差分放大器的共模电压放大倍数，uC为共模输入电压，可见为共模输入电压，可见共模放大倍数愈小愈好共模放大倍数愈小愈好。 71 当输入端上加一信号电压当输入端上加一信号电压uid时，时，T1管和管和T2管的基极管的基极上分别加上上分别加上ui1=uid/2和和ui2=-uid/2，输入电压大小相等相位，输入电压大小相等相位相反，称相反，称差模输入差模输入(differential input)。由于两管参数完。由于两管参数完全对称，两管对输入信号具有同样放大作用，全对称，两管对输入信号具有同样放大作用，T1、T2管输管输出电压分别为：出电压分别为： 从两个集电极
63、间输出电压为：从两个集电极间输出电压为： 因为差动放大器的放大倍数因为差动放大器的放大倍数Kd定义为定义为uoduid，故可得，故可得 式中式中RC、rbe、可为电路任一侧参数，差模输入信号是可为电路任一侧参数，差模输入信号是所要放大的有用信号，因此所要放大的有用信号，因此差模放大倍数愈大愈好差模放大倍数愈大愈好。 722.差分放大器的改进型差分放大器的改进型(1)具有射极公共电阻的具有射极公共电阻的差动放大器差动放大器 RE对差模信号无电流对差模信号无电流负反馈作用，只对共负反馈作用，只对共模信号有电流负反馈模信号有电流负反馈作用，如当温度变化作用，如当温度变化引起一系列反馈过程引起一系列反
64、馈过程如下：如下： 73(2) 带恒流源的差分放大带恒流源的差分放大器器 恒流源的动态电阻恒流源的动态电阻可以看成是无限大，对可以看成是无限大，对共模干扰的负反馈加大，共模干扰的负反馈加大，采用恒流源以后，能很采用恒流源以后，能很好的抑制共模信号干扰，好的抑制共模信号干扰，因此，在理想情况下，因此，在理想情况下，即使两侧电路稍有不对即使两侧电路稍有不对称，共模放大倍数也等称，共模放大倍数也等于零；但在一般情况下，于零；但在一般情况下，共模放大倍数共模放大倍数 很难为零。这是因为电很难为零。这是因为电路中两侧晶体管的参数，路中两侧晶体管的参数，以及电路相对应的电阻以及电路相对应的电阻不完全一致。
65、不完全一致。743. 共模抑制比共模抑制比CMRR 为了说明差动放大器对共模信号的抑制为了说明差动放大器对共模信号的抑制能力，常用能力，常用共模抑制比共模抑制比(common-mode rejection ratio)来表示，定义为差模电压放来表示，定义为差模电压放大倍数和共模电压放大倍数之比，即大倍数和共模电压放大倍数之比，即 CMRR=KdKC 共模抑制比共模抑制比CMRR也常用分贝表示，也常用分贝表示，规定为：规定为：20lgKdKC。 75 在理想情况下，电路中两侧相对应的元件参在理想情况下，电路中两侧相对应的元件参数完全相同，所以数完全相同，所以CMRR为无穷大为无穷大。但在一般情。
66、但在一般情况下，相应的元件各参数不可能完全一致，尤其况下，相应的元件各参数不可能完全一致，尤其是在温度变化情况下，更不可能完全相同。是在温度变化情况下，更不可能完全相同。 克服电路两侧不完全对称的缺点，通常把克服电路两侧不完全对称的缺点，通常把T1和和T2的射极接到一个阻值很小的电位器两端，的射极接到一个阻值很小的电位器两端，RE或恒流源连接在电位器的中间滑动接点处，改变或恒流源连接在电位器的中间滑动接点处，改变滑动接点的位置就在两个晶体管的射极电路中分滑动接点的位置就在两个晶体管的射极电路中分别引入了不同程度的电流负反馈，使电路两侧更别引入了不同程度的电流负反馈，使电路两侧更为对称，这个过程
67、称为为对称，这个过程称为调零调零，这时两侧分别引入，这时两侧分别引入的射极电阻使两管的电流分配的更为稳定。的射极电阻使两管的电流分配的更为稳定。 76 通过上面的分析可见，差分放大器在共模输通过上面的分析可见，差分放大器在共模输入时，入时，RE有电流负反馈作用，所以输入阻抗很高。有电流负反馈作用，所以输入阻抗很高。在差模输入时没有负反馈作用，输入电阻很低。在差模输入时没有负反馈作用，输入电阻很低。 信号源通常是高内阻。差模输入时，差分放信号源通常是高内阻。差模输入时，差分放大器输入电阻小，所以差模信号衰减很多，而对大器输入电阻小，所以差模信号衰减很多，而对外部共模干扰衰减很小，这意味着对于高内
68、阻的外部共模干扰衰减很小，这意味着对于高内阻的信号源，差分放大器抑制共模干扰的实际能力不信号源，差分放大器抑制共模干扰的实际能力不是很大，为此可采取在电路两侧增加射极电阻，是很大，为此可采取在电路两侧增加射极电阻，分别引入电流负反馈，增加差模输入电阻，也可分别引入电流负反馈，增加差模输入电阻，也可用场效应管代替晶体管，称场效应管差分放大器，用场效应管代替晶体管，称场效应管差分放大器，但需注意场效应管有失调电压和温漂较大的缺点。但需注意场效应管有失调电压和温漂较大的缺点。77 4.差分放大器的输入、输出方式差分放大器的输入、输出方式 基本有四种：即双端输入双端输出，双端输基本有四种：即双端输入双
69、端输出，双端输入单端输出，单端输入双端输出和单端输入单端入单端输出，单端输入双端输出和单端输入单端输出。输出。 在很多情况下，我们需要对地输出，这时差在很多情况下，我们需要对地输出，这时差分放大器处在单端输出状态下，在差模输入时，分放大器处在单端输出状态下，在差模输入时，n点位相与点位相与a点的输入电压相同，而与点的输入电压相同，而与b点的相反，点的相反，所以由所以由n点输出时，点输出时，a点为点为同相输入端同相输入端，b点为点为反反相输入端相输入端。 差分放大器可抑制零点漂移，且有灵活的输差分放大器可抑制零点漂移，且有灵活的输入和输出方式，被广泛的应用在各种生物医学测入和输出方式，被广泛的应
70、用在各种生物医学测量仪器中，如心电机的前置放大器，因其选用直量仪器中，如心电机的前置放大器，因其选用直接耦合方式，所以它也是集成运算放大器的基础。接耦合方式，所以它也是集成运算放大器的基础。 78三三. 调制型直流放大器调制型直流放大器 对于直流或缓慢变化信号的放大，为对于直流或缓慢变化信号的放大，为了解决级和级之间的直流电位相互影响和了解决级和级之间的直流电位相互影响和零点漂移的问题，除采取上面介绍的差动零点漂移的问题，除采取上面介绍的差动放大器外，还可以用调制型直流放大器。放大器外，还可以用调制型直流放大器。 它是将直流或缓慢变化信号先转换成一它是将直流或缓慢变化信号先转换成一定频率的交流
71、信号，然后经过交流放大，定频率的交流信号，然后经过交流放大，再将放大后的交流信号变换成原直流或缓再将放大后的交流信号变换成原直流或缓慢变化的信号。慢变化的信号。 791.斩波调制器斩波调制器 这种调制器的任务是把直流信号变这种调制器的任务是把直流信号变成交流信号。成交流信号。 2. 放大后的解调放大后的解调 上述斩波调制得到的矩形波经交流上述斩波调制得到的矩形波经交流放大后，需要再把它变成与输入信放大后，需要再把它变成与输入信号幅度和极性相对应的直流信号，号幅度和极性相对应的直流信号，这就是解调。这就是解调。80第五节第五节 功率放大器功率放大器 电子仪器最后一级的放大器，常常需要电子仪器最后
72、一级的放大器，常常需要给负载提供较大的电压和较大的电流，也给负载提供较大的电压和较大的电流，也就是需要供给负载较大的功率，这种放大就是需要供给负载较大的功率，这种放大器称为器称为功率放大器功率放大器(power amplifier)，简，简称为功放。称为功放。 放大电路实质都是能量转换电路，从放大电路实质都是能量转换电路，从能量控制的观点来看功率放大器和电压放能量控制的观点来看功率放大器和电压放大器、电流放大器没有本质的区别，无论大器、电流放大器没有本质的区别，无论哪种放大器，在负载上都同时存在输出电哪种放大器，在负载上都同时存在输出电压，输出电流和输出功率。压，输出电流和输出功率。81一一.
73、 甲类功率放大器甲类功率放大器 根据功率管工作点的位置不同，可分为不同根据功率管工作点的位置不同，可分为不同种功率放大器。种功率放大器。 当晶体管当晶体管工作点选择在特性曲线的线性部分工作点选择在特性曲线的线性部分时，称为甲类功率放大器。其功率放大器的原理时，称为甲类功率放大器。其功率放大器的原理与电压放大器完全相同。与电压放大器完全相同。 功率放大器要输出一定功率，所以选用的晶功率放大器要输出一定功率，所以选用的晶体管是大功率管，电阻体管是大功率管，电阻RC和和RB1及及RB2的阻值要选的阻值要选得小一些，功率大些，如果负载电阻适当，可代得小一些，功率大些，如果负载电阻适当，可代替替RC直接
74、连在集电极电路中。直接连在集电极电路中。 82 像电压放大器一样，电路中同时存在直流和像电压放大器一样，电路中同时存在直流和交流，直流功率即直流成分产生的功率，它的能交流，直流功率即直流成分产生的功率，它的能量消耗在电路内，交流功率即有用信号产生的功量消耗在电路内，交流功率即有用信号产生的功率，由负载输出，其值越大说明效率越高。率，由负载输出，其值越大说明效率越高。 为了有大功率输出，一般放大器要工作在大为了有大功率输出，一般放大器要工作在大信号输入状态下，所以容易产生非线性失真。晶信号输入状态下，所以容易产生非线性失真。晶体管常常工作在极限状态下，如输出电流、功耗体管常常工作在极限状态下，如
75、输出电流、功耗等可达到晶体管的相应的极限值，所以要注意功等可达到晶体管的相应的极限值，所以要注意功率管的率管的散热和过电流、过电压保护散热和过电流、过电压保护等问题。等问题。 83 在输入信号的整个周期内，晶体管均在输入信号的整个周期内，晶体管均处于导通状态，信号的正半周期和负半周处于导通状态，信号的正半周期和负半周期波形均可全部流过，波形不失真，但电期波形均可全部流过，波形不失真，但电源始终不断的输出功率，这些功率消耗在源始终不断的输出功率，这些功率消耗在管子和电阻上，并转化为热量形式散出，管子和电阻上，并转化为热量形式散出，而在负载上输出的功率却很小，而在负载上输出的功率却很小，效率降低效
76、率降低。 84 若将晶体管的工作点调整在截止区，在信若将晶体管的工作点调整在截止区，在信号的某半周期满足晶体管的基极偏压时可以导号的某半周期满足晶体管的基极偏压时可以导通，在负载上有半波输出，在信号的另半周期通，在负载上有半波输出，在信号的另半周期到来时，晶体管处于截止状态，在负载上没有到来时，晶体管处于截止状态，在负载上没有输出，此半周波形被削掉了，显然造成了波形输出，此半周波形被削掉了，显然造成了波形失真，这种方式称为失真，这种方式称为乙类功率放大器乙类功率放大器。 这种功率放大器的最大优点是效率高，因这种功率放大器的最大优点是效率高，因为在晶体管截止时没有电流，消耗在晶体管和为在晶体管截
77、止时没有电流，消耗在晶体管和电阻上的功率明显的减少，为了弥补乙类功率电阻上的功率明显的减少，为了弥补乙类功率放大器的不足，采用了下面这种功率放大器。放大器的不足，采用了下面这种功率放大器。 85 单管乙类功率放大器的输出波形出现单管乙类功率放大器的输出波形出现严重的失真，解决的办法是使用两个晶体严重的失真，解决的办法是使用两个晶体管，且保证使两个晶体管轮流导通。管，且保证使两个晶体管轮流导通。 实现的办法是在输入、输出端采用变实现的办法是在输入、输出端采用变压器耦合，在输入变压器上可以获得正、压器耦合，在输入变压器上可以获得正、反位相的输入信号，输出变压器可以把两反位相的输入信号，输出变压器可
78、以把两个晶体管的输出电流组合成负载电流，其个晶体管的输出电流组合成负载电流，其波形正好与输入信号波形相同，根据两个波形正好与输入信号波形相同，根据两个晶体管工作状态，又称为晶体管工作状态，又称为推挽式乙类功率推挽式乙类功率放大器放大器。 86ic1ib1ui0ui0，T1管发射结处于正偏，导通，它的集电极电流通管发射结处于正偏，导通，它的集电极电流通过输出变压器过输出变压器B2的原线圈的上半部，由于电磁感的原线圈的上半部，由于电磁感应在输出变压器应在输出变压器B2的副线圈内出现电流，此时的副线圈内出现电流，此时T2管发射结处于反偏电压而截止。在信号的负半周管发射结处于反偏电压而截止。在信号的负
79、半周期期Ube0时，时，T2管发射结处于正向偏压而导通，在管发射结处于正向偏压而导通，在输出变压器的副线圈中感应出向下的电压，此时输出变压器的副线圈中感应出向下的电压，此时T1管处于截止状态，这样两个晶体管交替工作，管处于截止状态，这样两个晶体管交替工作，在负载上就获得了与输入信号相同的交变电压和在负载上就获得了与输入信号相同的交变电压和电流。电流。 88 另外变压器还起到阻抗转换作用，当另外变压器还起到阻抗转换作用，当满足负载与放大器输出的阻抗匹配条件时，满足负载与放大器输出的阻抗匹配条件时，则在负载得到最大功率。则在负载得到最大功率。 根据变压器的原理，变压器耦合不能根据变压器的原理，变压
80、器耦合不能应用于直流信号或低频成分很丰富的信号，应用于直流信号或低频成分很丰富的信号，普通变压器也不能应用于核医学中所遇到普通变压器也不能应用于核医学中所遇到的变化很快的尖锐脉冲信号上，在变压器的变化很快的尖锐脉冲信号上，在变压器适用的频带里，由于变压器的体积和重量适用的频带里，由于变压器的体积和重量都较大，造价也较高，故近年来在很多地都较大，造价也较高，故近年来在很多地方被无变压器耦合功率放大器所代替。方被无变压器耦合功率放大器所代替。89三三. 无变压器耦合功率放大器无变压器耦合功率放大器 射极跟随器具有输出阻抗低、射极跟随器具有输出阻抗低、频带宽的特点，可作为放大器的频带宽的特点，可作为
81、放大器的输出级。为了提高输入阻抗和扩输出级。为了提高输入阻抗和扩大跟随范围，常采用正负电源，大跟随范围，常采用正负电源，并用并用PNP管代替射极电阻，形成管代替射极电阻，形成双向跟随也称双向跟随也称互补跟随器互补跟随器。 若负载呈现容性特点，输入若负载呈现容性特点，输入电压上升时，跟随器的射极电流电压上升时，跟随器的射极电流可给电容充电，当输出电压下降可给电容充电，当输出电压下降时，就由下一时，就由下一 个跟随器给负载电容提供放电通个跟随器给负载电容提供放电通路，路，T1、T2互补工作，在负载上互补工作，在负载上合成一个完整的波形。合成一个完整的波形。90 实际上前一电路的两个实际上前一电路的
82、两个晶体管导通时有电平差异，晶体管导通时有电平差异，因此加上两个二极管，利用因此加上两个二极管，利用管压降来弥补电平的差异，管压降来弥补电平的差异，使输出信号与输入信号基本使输出信号与输入信号基本一致。一致。R是防止两个互补晶体是防止两个互补晶体管发生同时导通出现大电流管发生同时导通出现大电流的情况，阻值通常为数十欧的情况，阻值通常为数十欧姆。姆。 除互补跟随器以外还有除互补跟随器以外还有很多形式的无变压器功率放很多形式的无变压器功率放大器，如怀特输出器等，它大器，如怀特输出器等，它们在生物医学仪器中有较多们在生物医学仪器中有较多的应用，的应用， 91 集成功率放大器的种类很多，大致可分为集成
83、功率放大器的种类很多，大致可分为通用型和专用型。目前已有通用型和专用型。目前已有5W的单片集成运放，的单片集成运放，在医学应用中做输出器已经足够了。在医学应用中做输出器已经足够了。 功率放大器在生物医学电子仪器中，所带功率放大器在生物医学电子仪器中，所带的负载主要是记录装置中描笔偏转线圈或伺服电的负载主要是记录装置中描笔偏转线圈或伺服电机、机、 各种自动分析仪器中继电器和电磁铁线圈等等。各种自动分析仪器中继电器和电磁铁线圈等等。 这些负载对功率放大器的要求，大致有两这些负载对功率放大器的要求，大致有两种情况，一种是描笔偏转线圈要求功放的输出电种情况，一种是描笔偏转线圈要求功放的输出电压或电流与信号成正比，且放大器不应当有失真压或电流与信号成正比，且放大器不应当有失真或漂移。另一种是输入信号经过电压放大和功率或漂移。另一种是输入信号经过电压放大和功率放大后，控制继电器或电磁铁的吸合的开关动作放大后，控制继电器或电磁铁的吸合的开关动作不存在失真，时间延迟问题也可不考虑。此外，不存在失真，时间延迟问题也可不考虑。此外，显示装置的偏转板只需要与信号成正比的电压即显示装置的偏转板只需要与信号成正比的电压即可，所用电流很小。可，所用电流很小。92部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！
