三生物医学常用放大器参考课件.ppt
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- 生物医学 常用 放大器 参考 课件
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1、第三生物医学常用放大器 携带生物信息的信号称为生物信号。其中生物电信号是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、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
2、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
3、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生物电信号的频带主要在低频和超低频范围内,频范围内,各种生物电中包含了频率很低的成各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。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,为了使生物电信相当于数微伏无规则电压,为了使生物电信号不被噪
4、声淹没,放大器的前级必须选用高号不被噪声淹没,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。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
5、的电路技术,如负反馈放大技术。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,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,特别是市电抗易引入外界干扰,特别是市电50Hz的的干扰,为了提高放大器输入信噪比,常干扰,为了提高放大器输入信噪比,常常加入常加入50Hz陷波器。陷波器。生物医学仪器中的滤波电路,通常由电容
6、器和电阻器组合而成。波形的中点在时间坐标t的零点。加进负反馈,使信号的电压或电流被反馈抵消一部分,达到能控制输入信号并使其比较小的目的,所以可以减少非线性失真。RE对差模信号无电流负反馈作用,只对共模信号有电流负反馈作用,如当温度变化引起一系列反馈过程如下为了解决信号的损失,利用电源极性不同的互补管PNP与NPN联合使用,可保证各级有合理的工作点。在分压式电流负反馈偏置电路中,RE对直流起负反馈作用,使直流工作点稳定。此时T2管的基射电压等于T1的集射电压减去RE上的电压。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;由于电压串联负反馈有高输入电阻、低输出电阻,所以在电子电路中,经
7、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及信号源与放大器间的连接处。在信号的负半周期Ube0时,T2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T1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电流。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,使电源电压也随之改变,这个改变量作用到前级上,导致反馈,且常常成为正反馈。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;(2)当Q值高时,此电路称为选频电路,其选频本
8、领大,只允许较窄频率范围的信号通过,称窄带滤波。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。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。在信号的负半周期Ube0时,T2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T1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电流。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;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
9、真。没有RE时,放大器的总输人电阻只是RB1/RB2/rbe,可见,串联负反馈显著地提高放大器的输入电阻。生物电信号的信噪比较低,这是由于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,如希氏束电图电活动所淹没,如希氏束电图H波,只有波,只有110V,比心电信号弱得多,再有胎儿心,比心电信号弱得多,再有胎儿心电信号的幅度约为电信号的幅度约为5V,比母体心电信号弱,比母体心电信号弱很多,使噪声电压超出生物电信号电压。当很多,使噪声电压超出生物电信号
10、电压。当无用信号掩盖了有用信号时,提取这些电信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。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截止频率、高输入阻抗和放大倍数稳定的放大器。定的放大器。(1)当频率很低时,f/fH1时,KF=1/F,这说明在具有深度负反馈时,电压放大倍数KF完全由负反馈电路参数决定,而与晶体管参数无关。在分压式电流负反馈偏置电路中,RE对直流起负
11、反馈作用,使直流工作点稳定。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。RE对差模信号无电流负反馈作用,只对共模信号有电流负反馈作用,如当温度变化引起一系列反馈过程如下差分放大器(differential amplifier)又称差动放大器,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,两侧基极电阻也相等。Kp=p0/pi+1当输入端上加一信号电压uid时,T1管和T2管的基极上分别加上ui1=uid/2和ui2=uid/2,输入电压大小相等相位相反,称差模输入(differential input)。在分压式电流负反馈偏置电路中,RE对直流起负反馈作
12、用,使直流工作点稳定。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。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。根据放大器输入电阻定义,输入电阻ri为因为差动放大器的放大倍数Kd定义为uoduid,故可得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。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。其中RE为反馈电阻,RE上
13、的电压既是反馈电压也是该电路的全部输出电压uo。电压反馈使电路的输出电阻减小: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。此时T2管的基射电压等于T1的集射电压减去RE上的电压。加进负反馈,使信号的电压或电流被反馈抵消一部分,达到能控制输入信号并使其比较小的目的,所以可以减少非线性失真。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期波形均可全部流过,波形不失
14、真,但电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,而在负载上输出的功率却很小,效率降低。RC可选择较大数值,使输出电压有较大的变化范围。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。为了解决信号的损失,利用电源极性不同的互补管PNP与NPN联合使用,可保证各级有合理的工作点。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,弦
15、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。幅度不同、频率不同、初位相不同的正弦波。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。用数学表达为成分。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,是非正弦式周期波的重复频率,称为基频。此频率的正弦周期波的重复频率,称为基频。此频率的正弦波称为基波,其它正弦波的频率波称为基波,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次谐次谐波。波。.3,2,1,0)2sin(Unt
16、fatnnn 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,也常简称为频谱种图称为振幅频谱,也常简称为频谱(spectrum)。而。而an2组成功率频谱,简称为组成功率频谱,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。的位相谱,称为位相频谱。直流放大器有直接放大和调制放大两种。在差模输入时没有负反馈作用,输入电阻很低。Rs0且很大时,则反馈影响最大。使放大倍数
17、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。由于电压串联负反馈有高输入电阻、低输出电阻,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及信号源与放大器间的连接处。对于生物电放大器来讲,电压放大倍数一般都较高。其中RE为反馈电阻,RE上的电压既是反馈电压也是该电路的全部输出电压uo。(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。波形的中点在时间坐标t的零点。其电路的电压传输函数为为了解决信号的损失,利用电源极性不同的互补管PNP与NPN联合使用,可保证各级有合理的工作点。实现的办法是在输入、输出
18、端采用变压器耦合,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,根据两个晶体管工作状态,又称为推挽式乙类功率放大器。电压反馈使电路的输出电阻减小: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,基本不受外界的影响。除此之外,rbe还随电流变化,比较gF和g0可见,虽然gF小些。其中RE为反馈电阻,RE上的电压既是反馈电压也是该电路的全部输出电压uo。当输入信号为正极性时,基极电势升高,基极电流和射极电流都增加。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
19、手段,从中提取有用的生物信号作为临床诊断的依据。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。而an2组成功率频谱,简称为功率谱。但在一般情况下,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。其功率放大器的原理与电压放大器完全相同。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。2.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
20、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,且具有连续频谱。的叠加来组成,频率可取连续值,且具有连续频谱。连续频谱的波形叠加用积分式表达为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。0)2cos(2)(dfftAtUff 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,其振幅频为单位,其振
21、幅频谱有正负振幅不断摆动,且延伸很远,范围与谱有正负振幅不断摆动,且延伸很远,范围与1/成正比。成正比。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,面积为为脉冲的高度,面积为1。它的频谱很平滑。它的频谱很平滑。由这两个脉冲的频谱图可见脉冲愈宽,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。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
22、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。高频脉冲即振幅随高频脉冲即振幅随一个脉冲波形变化的高一个脉冲波形变化的高频振荡。图频振荡。图(a)表示振幅表示振幅随一脉冲波形变化的高随一脉冲波形变化的高频振荡,图频振荡,图(b)是它的频是它的频谱,可以从原先脉冲的谱,可以从原先脉冲的频谱得到。把原先脉冲频谱得到。把原先脉冲的频谱对称地向负频率的频谱对称地向负频率侧延伸,然后向右移动侧延伸,然后向右移动f0的距离,就得到。的距离,就得到。可见,高频脉冲的可见,高
23、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。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,从中提取有用的生物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。信号作为临床诊断的依据。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
24、装置前加有滤波器。处理装置前加有滤波器。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。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通带,而把消除或衰减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。通带和阻带的信号频率范围定义为阻带。通
25、带和阻带的界限频率,包括下限频率和上限频率。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,带通和具体电路有高通和低通滤波,带通和带阻滤波,双带阻滤波,双T滤波和滤波和50Hz陷波等。陷波等。高通滤波只允许信号中高频成分顺利通过,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。电压传输且衰减很小,而消除或减弱低频噪声。电压传输函数为函数为222f)(1)/1(TRCRCCRRUUfRf 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U
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