第三章 信號(hào)放大與處理-2

1、生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)第三章第三章 生理參數(shù)測(cè)量與處理生理參數(shù)測(cè)量與處理 Biomedical Electronics第一節(jié)第一節(jié) 生理參數(shù)測(cè)量生理參數(shù)測(cè)量放大器放大器第二節(jié)第二節(jié) 模擬濾波器模擬濾波器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)基本差動(dòng)放大電路輸入電阻不夠基本差動(dòng)放大電路輸入電阻不夠高的根本原因在于差動(dòng)輸入電壓高的根本原因在于差動(dòng)輸入電壓是從放大器同相端和反相端同時(shí)是從放大器同相端和反相端同時(shí)加入的。如果把差動(dòng)輸入信號(hào)都加入的。如果把差動(dòng)輸入信號(hào)都從同相側(cè)送入，則能大大提高電從同相側(cè)送入，則能大大提高電路的輸入阻抗。路的輸入阻抗。生物電放大器前置級(jí)經(jīng)常采用的生物電放大器前置級(jí)

2、經(jīng)常采用的設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)阻抗變換：實(shí)現(xiàn)阻抗變換：（1 1）同相輸入結(jié)構(gòu)；）同相輸入結(jié)構(gòu)；（2 2）在差動(dòng)放大電路前面增加）在差動(dòng)放大電路前面增加一級(jí)緩沖級(jí)一級(jí)緩沖級(jí)( (同相電壓跟隨器同相電壓跟隨器), ),有有極高的輸入阻抗、較低的輸出阻極高的輸入阻抗、較低的輸出阻抗和很強(qiáng)的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力?？购秃軓?qiáng)的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。2 2、同相并聯(lián)差動(dòng)放大器（三運(yùn)放）、同相并聯(lián)差動(dòng)放大器（三運(yùn)放）生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)A A1 1、A A2 2組成同相并聯(lián)輸入第一級(jí)放大，作用是提高放大器組成同相并聯(lián)輸入第一級(jí)放大，作用是提高放大器的輸入阻抗，輸入阻抗可達(dá)到的輸入阻抗，輸入阻抗可達(dá)到10M10M以上以上A A3

3、3實(shí)現(xiàn)差動(dòng)放大，作為放大器第二級(jí)實(shí)現(xiàn)差動(dòng)放大，作為放大器第二級(jí)同相并聯(lián)結(jié)構(gòu)前置放大電路同相并聯(lián)結(jié)構(gòu)前置放大電路生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)放大器分析放大器分析FiwiiFiwFiiidRUURUURUURRUUUUU01112202020112,有電流相等由、第一級(jí)輸出為設(shè)12011202)1 (U- )1 (:iwFiwFiwFiwFURRURRURRURRU得wFdiiwFRRAUURRUUU21:)(21 (:11201020第一級(jí)電壓增益解得生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) 放大器的評(píng)價(jià)放大器的評(píng)價(jià)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 第一級(jí)輸出不產(chǎn)生共模電流第一級(jí)輸出不產(chǎn)生共模電流 無(wú)須考慮外電路電阻匹配，保證它的共模抑制能力。電無(wú)須考慮外電

4、路電阻匹配，保證它的共模抑制能力。電位器位器Rw上的差動(dòng)電壓決定整個(gè)電路工作電上的差動(dòng)電壓決定整個(gè)電路工作電 流，而電位流，而電位器上的共模電壓對(duì)此電流毫無(wú)影響器上的共模電壓對(duì)此電流毫無(wú)影響 可方便增益調(diào)節(jié)可方便增益調(diào)節(jié) 結(jié)構(gòu)對(duì)稱，有利于克服失調(diào)、飄移的影響結(jié)構(gòu)對(duì)稱，有利于克服失調(diào)、飄移的影響缺點(diǎn)缺點(diǎn) A1、A2各自各自CMRR的的差異會(huì)造成第一級(jí)差異會(huì)造成第一級(jí)CMRR12的下降的下降生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)設(shè)設(shè)A A1 1、A A2 2的的CMRR1、CMRR2均為有限值，共模輸入電壓均為有限值，共模輸入電壓U Uic ic使使A A1 1在它的輸入端存在共模誤差電壓在它的輸入端存在共模誤差電壓U

5、Uic ic / / CMRR1，使使A A2 2在它的輸入端存在共模誤差電壓在它的輸入端存在共模誤差電壓U Uic ic / / CMRR2 在第一級(jí)輸出端存在共模誤差的輸出電壓在第一級(jí)輸出端存在共模誤差的輸出電壓 21211112CMRRCMRRCMRRCMRRAACMRRcd1121112)11()(dicoccdicicocACMRRCMRRUUAACMRRUCMRRUU第一級(jí)電路第一級(jí)電路CMRR12生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)第一級(jí)放大電路的第一級(jí)放大電路的共模抑制能力共模抑制能力取決于運(yùn)放器件取決于運(yùn)放器件A A1 1和和A A2 2本身本身的的共模抑制比的差異共模抑制比的差異。為了使第一級(jí)放

6、大電路獲得高共模抑制。為了使第一級(jí)放大電路獲得高共模抑制比，比， A A1 1和和A A2 2本身本身的本身本身的CMRR1、CMRR2的數(shù)值是否高并不的數(shù)值是否高并不重要，重要的是它們的對(duì)稱性。重要，重要的是它們的對(duì)稱性。21211112CMRRCMRRCMRRCMRRAACMRRcd所以實(shí)現(xiàn)第一級(jí)放大電路的高共模抑制比并不困難，通?？蛇_(dá)所以實(shí)現(xiàn)第一級(jí)放大電路的高共模抑制比并不困難，通?？蛇_(dá)到到100dB100dB以上。以上。dBCMRRdBCMRRdBCMRRdBCMRRdBCMRRdBCMRR160:,5 .80,8083:,90,80:12211221則若則若例生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)因?yàn)椴豢紤]

7、這一級(jí)共模電壓向差模電壓的轉(zhuǎn)化，因?yàn)椴豢紤]這一級(jí)共模電壓向差模電壓的轉(zhuǎn)化，A A1 1、A A2 2輸輸出端就存在與輸入端相同的共模電壓。這樣，共模電壓在出端就存在與輸入端相同的共模電壓。這樣，共模電壓在輸出端占用了一定的工作范圍，致使差動(dòng)信號(hào)的有效工作輸出端占用了一定的工作范圍，致使差動(dòng)信號(hào)的有效工作范圍變小。范圍變小。為了割斷共模電壓在電路中的傳遞，最簡(jiǎn)單、有效的方法為了割斷共模電壓在電路中的傳遞，最簡(jiǎn)單、有效的方法是在是在A A1 1、A A2 2并聯(lián)電路的后邊接入一級(jí)差動(dòng)放大，構(gòu)成兩級(jí)并聯(lián)電路的后邊接入一級(jí)差動(dòng)放大，構(gòu)成兩級(jí)放大電路。放大電路。僅僅用僅僅用A A1 1、A A2 2構(gòu)成

8、前置級(jí)是不足的構(gòu)成前置級(jí)是不足的生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)放大器的技術(shù)指標(biāo)放大器的技術(shù)指標(biāo))111(:)21 (:1312033120121ddicccdicdiccFwFdddACMRRCMRRAUUAACMRRUACMRRUURRRRAAA總的共模增益總的共模輸出兩級(jí)總增益第一、二級(jí)的共模抑制比有限，共同造成了整個(gè)放大電路第一、二級(jí)的共模抑制比有限，共同造成了整個(gè)放大電路的共模輸出電壓，應(yīng)用疊加原理，的共模輸出電壓，應(yīng)用疊加原理，12313121:CMRRCMRRACMRRCMRRAAACMRRCMRRddcd兩級(jí)總生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)313112:CMRRACMRRCMRRACMRRdd則若可以看到，同相

9、并聯(lián)差動(dòng)放大電路構(gòu)成生物電前置級(jí)時(shí)，可以看到，同相并聯(lián)差動(dòng)放大電路構(gòu)成生物電前置級(jí)時(shí)，其共模抑制能力取決于：其共模抑制能力取決于：A A1 1、A A2 2器件的器件的CMRRCMRR1 1和和CMRRCMRR2 2的對(duì)稱程度的對(duì)稱程度A A3 3運(yùn)放器件的共模抑制比運(yùn)放器件的共模抑制比差動(dòng)放大的閉環(huán)增益以及差動(dòng)放大的閉環(huán)增益以及R RF F、R R1 1電阻的匹配精度、同相并電阻的匹配精度、同相并聯(lián)的第一級(jí)差動(dòng)增益。聯(lián)的第一級(jí)差動(dòng)增益。嚴(yán)格挑選放大器的嚴(yán)格挑選放大器的CMRRCMRR1 1和和CMRRCMRR2 2參數(shù)時(shí)，第一級(jí)具有參數(shù)時(shí)，第一級(jí)具有較好的對(duì)稱性，因而較好的對(duì)稱性，因而 兩級(jí)

10、放大電路的共模抑制比主要取決于第一級(jí)的差動(dòng)增益和第兩級(jí)放大電路的共模抑制比主要取決于第一級(jí)的差動(dòng)增益和第二級(jí)的共模抑制能力二級(jí)的共模抑制能力 生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)例：ECG前置放大器實(shí)用電路CMRR1=100dB,輸入阻抗輸入阻抗80M，電阻精度，電阻精度0.1%，求包括電極系統(tǒng)在內(nèi)的放大電路的總共模抑制比。求包括電極系統(tǒng)在內(nèi)的放大電路的總共模抑制比。 +-A1A2A301u02u1 iu2iu0u100K20K100K20K100K20K100K20K23K解：電極阻抗不平衡，將造成共模電壓向差模電壓的轉(zhuǎn)化，解：電極阻抗不平衡，將造成共模電壓向差模電壓的轉(zhuǎn)化，因此共模誤差電壓是由輸入回路、第一級(jí)、

11、第二級(jí)放大電路因此共模誤差電壓是由輸入回路、第一級(jí)、第二級(jí)放大電路共同產(chǎn)生的。共同產(chǎn)生的。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)1478,1000001001500104514155:,3422123001221 RDRDDdRddddiccdiciscCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRdBCMRRACMRRAAAACMRRUUAUZZUCMRRCMRRCMRR其中則設(shè)如果如果A A1 1、A A2 2的共模抑制比精密對(duì)稱，則第一級(jí)的共模抑制比的共模抑制比精密對(duì)稱，則第一級(jí)的共模抑制比CMRRCMRR1212視為的視為的 ，不產(chǎn)生共模誤差。只計(jì)算電極阻抗不平衡，不產(chǎn)生共模誤差。只計(jì)算電極阻抗不平衡引起的共模輸出

12、引起的共模輸出U UOCOC和和A A3 3組成的第二級(jí)共模抑制比有限產(chǎn)生組成的第二級(jí)共模抑制比有限產(chǎn)生的共模輸出的共模輸出U Uococ。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)dBCMRRAZZAACMRRCMRRCMRRAAZZUUAUCMRRAAZZUUUdiscdddisicccicddisccc801011:)(43132032000 總整個(gè)電路的共模增益由于電極阻抗不平衡造成總共模抑制比下降了由于電極阻抗不平衡造成總共模抑制比下降了20dB20dB。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)生物電放大器前置級(jí)的設(shè)計(jì)步驟生物電放大器前置級(jí)的設(shè)計(jì)步驟（1）器件選擇：）器件選擇：A1，A2共模抑制比嚴(yán)格對(duì)稱，共模抑制比嚴(yán)格對(duì)稱，CMRR之

13、差小于之差小于0.5dB。A3高共模抑制比，高共模抑制比，CMRR大于大于100dB。（2）第二級(jí)差動(dòng)放大電路電阻匹配精度是影響共模抑第二級(jí)差動(dòng)放大電路電阻匹配精度是影響共模抑制能力的主要因素，電阻制能力的主要因素，電阻匹配精度優(yōu)于匹配精度優(yōu)于0.1，對(duì)于兩，對(duì)于兩級(jí)差模增益的各種不同分配，總共模抑制比都有級(jí)差模增益的各種不同分配，總共模抑制比都有6dB6dB的的改善。常用精密電橋選擇高精度、高穩(wěn)定性的電阻，先改善。常用精密電橋選擇高精度、高穩(wěn)定性的電阻，先確定確定R Rl l、R R2 2，再由，再由A Ad2d2的設(shè)計(jì)值確定的設(shè)計(jì)值確定R RF F。最后，通過(guò)。最后，通過(guò)RF的調(diào)整進(jìn)一步提

14、高精度的匹配。的調(diào)整進(jìn)一步提高精度的匹配。 生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) 前置級(jí)增益以及組成前置級(jí)的兩級(jí)放大電路的增前置級(jí)增益以及組成前置級(jí)的兩級(jí)放大電路的增益分配，都影響總的益分配，都影響總的CMRR。Ad1、Ad2互相制約，互相制約，但是但是Ad1值取得較高一些，有利于放大級(jí)總的共模抑值取得較高一些，有利于放大級(jí)總的共模抑制比的提高。制比的提高。 放大器各級(jí)增益的設(shè)計(jì)，受到低噪聲性能的限制。放大器各級(jí)增益的設(shè)計(jì)，受到低噪聲性能的限制。盡可能提高第一級(jí)電壓增益，有利于實(shí)現(xiàn)低噪聲性盡可能提高第一級(jí)電壓增益，有利于實(shí)現(xiàn)低噪聲性能。放大器總的噪聲系數(shù)主要取決于第一級(jí)，提高能。放大器總的噪聲系數(shù)主要取決于第一級(jí)，

15、提高第一級(jí)增益使信號(hào)質(zhì)量改善，提高了信噪比。第一級(jí)增益使信號(hào)質(zhì)量改善，提高了信噪比。 實(shí)驗(yàn)表明：在實(shí)驗(yàn)表明：在Ad1足夠大時(shí)，總的共模抑制比隨足夠大時(shí)，總的共模抑制比隨Ad1增加將十分緩慢。增加將十分緩慢。(3)(3)兩級(jí)增益分配適當(dāng)兩級(jí)增益分配適當(dāng)生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) 為了獲得高輸入阻抗，并達(dá)到少用運(yùn)放器件的目的，為了獲得高輸入阻抗，并達(dá)到少用運(yùn)放器件的目的，還可以采用還可以采用同相串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式同相串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式的前置級(jí)設(shè)計(jì)。電路結(jié)構(gòu)如的前置級(jí)設(shè)計(jì)。電路結(jié)構(gòu)如圖所示，與同相并聯(lián)差動(dòng)放大電路結(jié)構(gòu)相比，少用了一圖所示，與同相并聯(lián)差動(dòng)放大電路結(jié)構(gòu)相比，少用了一個(gè)運(yùn)放器件。差動(dòng)信號(hào)均由同相端進(jìn)入，個(gè)運(yùn)放器件

16、。差動(dòng)信號(hào)均由同相端進(jìn)入，A1的輸出的輸出U01和和Ui2一起送入一起送入A2，從，從A2獲得單端輸出，稱之為串聯(lián)結(jié)構(gòu)獲得單端輸出，稱之為串聯(lián)結(jié)構(gòu) 3、同相串聯(lián)型放大器、同相串聯(lián)型放大器差動(dòng)信號(hào)從兩個(gè)運(yùn)算放大器的同相端送差動(dòng)信號(hào)從兩個(gè)運(yùn)算放大器的同相端送入，從而獲得很高的輸入電阻。差動(dòng)輸入，從而獲得很高的輸入電阻。差動(dòng)輸入電阻近似為兩個(gè)運(yùn)算放大器的共模輸入電阻近似為兩個(gè)運(yùn)算放大器的共模輸入電阻之和。如果兩個(gè)運(yùn)算放大器共模入電阻之和。如果兩個(gè)運(yùn)算放大器共模輸入電阻輸入電阻rc相等，則此串聯(lián)電路的差動(dòng)相等，則此串聯(lián)電路的差動(dòng)輸入電阻近似為輸入電阻近似為2rc，通常可高達(dá)幾十兆，通?？筛哌_(dá)幾十兆歐，

17、完全滿足生物電放大器的要求。歐，完全滿足生物電放大器的要求。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)A A1 1構(gòu)成同相放大電路，它的輸出電壓構(gòu)成同相放大電路，它的輸出電壓 生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)為了使共模增益為零，外電路電阻應(yīng)按下式匹配為了使共模增益為零，外電路電阻應(yīng)按下式匹配 RRRRRRRRRRFFFFF221121210)1 (放大電路的差動(dòng)閉環(huán)增益為放大電路的差動(dòng)閉環(huán)增益為 計(jì)算放大電路的共模抑制比，設(shè)兩對(duì)電阻的匹配誤差分別為計(jì)算放大電路的共模抑制比，設(shè)兩對(duì)電阻的匹配誤差分別為 生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)得到共模增益得到共模增益 電阻失配誤差所限定的共模抑制比為電阻失配誤差所限定的共模抑制比為 和同相并聯(lián)結(jié)構(gòu)類(lèi)似，為了減小電阻失

18、配引起的共模誤差，提高和同相并聯(lián)結(jié)構(gòu)類(lèi)似，為了減小電阻失配引起的共模誤差，提高閉環(huán)增益是十分有意義的。閉環(huán)增益是十分有意義的。 生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) 電路總的共模抑制能力，也是由運(yùn)放器件電路總的共模抑制能力，也是由運(yùn)放器件A A1 1、A A2 2的共模抑的共模抑制比制比CMRRCMRRl l、CMRRCMRR2 2與外回路電阻匹配誤差形成的與外回路電阻匹配誤差形成的CMRRCMRRD D共同決定的。共同決定的。 共模電壓同時(shí)加在兩個(gè)運(yùn)放共模電壓同時(shí)加在兩個(gè)運(yùn)放A A1 1、A A2 2的同相端。由于的同相端。由于A A2 2的反的反相作用，運(yùn)放相作用，運(yùn)放A Al l同相端的共模電壓經(jīng)放大后，在輸

19、出端形成同相端的共模電壓經(jīng)放大后，在輸出端形成的誤差電壓的極性，與的誤差電壓的極性，與A A2 2同相端的共模電壓經(jīng)放大后在輸出同相端的共模電壓經(jīng)放大后在輸出端形成的誤差電壓極性相反，兩者可以抵消?？梢宰C明，若端形成的誤差電壓極性相反，兩者可以抵消。可以證明，若CMRRCMRRl l = CMRR= CMRR2 2 ，且滿足式匹配條件，則兩運(yùn)放共模增益，且滿足式匹配條件，則兩運(yùn)放共模增益產(chǎn)生的誤差電壓可完全抵消。產(chǎn)生的誤差電壓可完全抵消。 A A1 1的的CMRRCMRRl l有限產(chǎn)生的共模輸出，經(jīng)過(guò)同相放大，在有限產(chǎn)生的共模輸出，經(jīng)過(guò)同相放大，在 A A1 1的的輸出端形成的共模電壓為輸出端形成的共模電壓為生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)A A2 2的輸出的輸出( (即放大電路的共模輸出即放大電路的共模輸出) )RRRRRRFFF2211把匹配關(guān)系把匹配關(guān)系代入得代入得生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)同理，同理，A A2 2在其輸出端產(chǎn)生的共模電壓在其輸出端產(chǎn)生的共模電壓 電阻失配產(chǎn)生的共模輸出為電阻失配產(chǎn)生的共模輸出為 上列三項(xiàng)輸出端的共模電壓疊加，得到共模增益上列三項(xiàng)輸出端的共模電壓疊加，得到共模增益 所以，放大電路的總共模抑制比所以，放大電路的總共模抑制比生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)同相串聯(lián)結(jié)構(gòu)的放大電路