第五章-生物電放大基礎(chǔ)和心電圖測(cè)量.ppt

1、第五章 生物電放大基礎(chǔ)和心電圖測(cè)量,常向榮 ,要求掌握,差動(dòng)放大器 差模輸入 共模輸入 差模放大倍數(shù) 共模放大倍數(shù) 共模抑制比 電路不平衡造成的共模輸出,生物電信號(hào)測(cè)量的意義： 生物電現(xiàn)象是反映生命活動(dòng)的重要信息 生物電測(cè)量是人體生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)的主要方法 生物電信號(hào)特點(diǎn)： 生物電信號(hào)大都屬于低頻,微弱和強(qiáng)噪聲背景下的自然信號(hào),本章將詳細(xì)介紹生物電放大器的基本原理和電路組成原理。 生物電放大器的核心是前置放大器，是本章的重點(diǎn)。 心電圖測(cè)量是生物電最典型的應(yīng)用，介紹心電圖測(cè)量基本原理。,5.1 生物電放大器前置級(jí)原理,生物電放大器常用于生物體任意兩點(diǎn)間電位差作多種組合的測(cè)量。 生物電放大器前置級(jí)必須

2、采用差動(dòng)放大電路。,5.1-1 基本要求,根據(jù)生物電信號(hào)特點(diǎn)，對(duì)生物電放大器前置級(jí)提出的要求： 高輸入阻抗， 高共模抑制比， 低噪聲、低漂移 設(shè)置保護(hù)電路等。,1高輸入阻抗,生物電信號(hào)是通過(guò)人體皮膚，電極，2米長(zhǎng)導(dǎo)聯(lián)線進(jìn)入放大器 電極和皮膚接觸壓力有變化，使人體組織液和導(dǎo)電膏中的離子濃度發(fā)生變化，導(dǎo)致電極阻抗產(chǎn)生k或幾十k的變化。 生物電信號(hào)屬于高內(nèi)阻微弱信號(hào)源，源阻抗大小因人而異、因生理狀態(tài)而異。 放大器輸入阻抗不高會(huì)在輸出端產(chǎn)生干擾。,包括電極,信號(hào)源和放大器輸入回路等效電路：,RT1、RT2 - 人體電阻，幾十 RS1、RS2 - 電極與皮膚接觸電阻，幾十 k。 CS1、CS2 - 電極

3、與皮膚間分布電容，幾十pF RL1、RL2 - 輸入保護(hù)電阻，通常30 k Ri - 放大器輸入電阻,粗略估計(jì)放大器輸入端信號(hào)源內(nèi)阻約100 k。 如果放大器輸入阻抗為10M，源內(nèi)阻與放大器輸入阻抗相比為1:100。 上述各種因素造成的失真和誤差可減小到1% 。,例： 如果信號(hào)源的內(nèi)阻為100K，則放大器輸入內(nèi)阻至少為1M， 現(xiàn)設(shè)計(jì)信號(hào)源內(nèi)阻為10M ，則各種因素造成的信號(hào)源內(nèi)阻的變化，所引起的測(cè)量誤差都可以減小到忽略不計(jì),實(shí)際放大倍數(shù)：,討論：如果信號(hào)源內(nèi)阻從2K 變化到15K ， 在Zi1M 的情況下， 在Zi5M 的情況下：,常用的輸入阻抗指標(biāo),2. 高共模抑制比（CMRR）,共模抑制比

4、CMRR的定義 : CMRR = 20 lg（Ad/Ac） （dB ） 其中Ad ,Ac 分別為放大器的差模增益和共模增益。 為抑制人體的工頻干擾，放大器應(yīng)選用選高共模抑制能力差動(dòng)放大形式。,生物電測(cè)量的信號(hào)和干擾分析,幾個(gè)結(jié)論：,生物電信號(hào)表現(xiàn)為差模信號(hào)，干擾為共模信號(hào) 采用差動(dòng)放大器放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào) 生物電放大器CMMR值要求60100dB，高性能放大器CMRR達(dá)120dB CMRR是前置放大器最重要指標(biāo),共模向差模轉(zhuǎn)化,信號(hào)源內(nèi)阻不可能完全相等 各電極處皮膚接觸電阻不平衡 電極的物理狀態(tài)不可能完全對(duì)稱(chēng) 以上原因造成電路的不對(duì)稱(chēng)性， 結(jié)果，使得共模干擾向差模轉(zhuǎn)化（對(duì)測(cè)量極其不利）

5、,例，當(dāng)電路不對(duì)稱(chēng)時(shí)，共模電壓向差模輸出轉(zhuǎn)化： A、B兩點(diǎn)處共模電壓降為：,則共模電壓轉(zhuǎn)化為差模電壓：,討論： Zs1和Zs2相差5k，則對(duì)于10mV的共模干擾電壓，若打算限制在10V以下，求放大器的輸入阻抗,進(jìn)一步說(shuō)明了，對(duì)生物信號(hào)放大器，需要高的輸入阻抗,3. 低噪聲、低漂移,放大器本身固有的噪聲是確定放大器能夠放大信號(hào)大小的下限 設(shè)計(jì)放大器使得其對(duì)外界噪聲的抑制和本身固有噪聲在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上（噪聲系數(shù)）,4. 設(shè)置保護(hù)電路,人體的安全 控制其對(duì)同時(shí)測(cè)量的其他設(shè)備的干擾,5.1-2 差動(dòng)放大電路,放大器前置級(jí)，都采用差動(dòng)放大電路結(jié)構(gòu)。,分析： 1、共模信號(hào)和差模信號(hào) 2、兩個(gè)輸入端 3、反

6、饋性質(zhì) 4、理想運(yùn)算放大器分析：虛短、虛斷 5、 U0由U1和I表示 6、 U0 由共模信號(hào)和差模信號(hào)表示 7、什么條件可使共模輸出為0 8、理想條件下共模抑制比為多少 8、理想條件下閉環(huán)差模增益,分析：兩個(gè)輸入端信號(hào)ui1和ui2 按共模電壓uic 和差模信號(hào)uid 定義,差模信號(hào),共模信號(hào),即兩個(gè)輸入端信號(hào)的算術(shù)平均值,即兩個(gè)輸入端信號(hào)之差,用理想運(yùn)放的條件分析，由R1 和Rf 電流相等得到關(guān)系式 代入以上定義有：,輸出分兩項(xiàng): 共模輸出uoc= Ac * uic ,共模增益Ac 差模輸出uod= Ad * uid ,差模增益Ad,如果選擇外回路各電阻參數(shù)，使得 則無(wú)共模輸出，即共模輸入u

7、ic 完全被抑制。 如果電路平衡，電阻滿(mǎn)足對(duì)稱(chēng)要求，即 得到外回路電阻的匹配條件： R1 = R2 , RF = R3,得到理想閉環(huán)差模增益: 共模增益Ac = 0，無(wú)共模輸出。理想的差動(dòng)放大器 CMRR = ,實(shí)際差動(dòng)放大器共模抑制比不能達(dá)到，將取決于兩個(gè)因素CMRRR 和CMRRD： CMRRR 是外回路電阻匹配精度所限定的放大器共模抑制比； CMRRD 是集成器件本身共模抑制比。,1.電阻精度所限定的共模抑制比CMRRR 設(shè)理想運(yùn)放，由電阻精度限制的共模輸出為UocR。放大器共模增益為： 設(shè)電阻精度為 1,各電阻分別為： 設(shè)：1 = 2 = 3 = 4 = 1 整理得共模增益： 小，共模

8、增益才小。,由電阻精度限定的放大器共模抑制比為 例如： Ad = 1000 0.1, CMRRR為80dB數(shù)量級(jí) 0.01, CMRRR為100dB數(shù)量級(jí),結(jié)論：,CMRRR 與電阻精度有關(guān)，與放大器閉環(huán)差模增益Ad 有關(guān)。 越小，Ad越大，則放大器共模抑制比越大。,5.1.2.2 集成運(yùn)算放大器本身共模抑制比,討論： CMRRD的存在所產(chǎn)生的共模輸出電壓。即Uoc 由共模抑制比的定義可以得到： 分析： 共模抑制比 共模放大倍數(shù) 注意，得到的共模輸入電壓，通過(guò)差模放大倍數(shù)等效一個(gè)誤差電壓，這個(gè)誤差電壓的大小：應(yīng)該有共模輸出/？ 等效共模誤差由共模輸入和共模抑制比表示為：？,2.集成器件本身的共

9、模抑制比CMRRD:,實(shí)際運(yùn)放存在有限共模抑制比CMRRD 對(duì)差動(dòng)放大器影響的推導(dǎo)： CMRRD 存在必產(chǎn)生共模輸出電壓。 由共模抑制比定義,CMRRD為放大器差動(dòng)增益Ad=Ad與共模增益Ac之比,即,按定義共模增益Ac為共模輸出電壓與共模輸入電壓之比,即 共模輸出電壓Uoc可用一折合到放大器輸入端的共模誤差電壓(即Uic)表示為 即,公式表明：,由于運(yùn)放大本身CMRRD，共模輸出Uoc可等效為一個(gè)輸入端共模誤差電壓,即等效的非有用信號(hào)的差模電壓Uic 共模誤差電壓Uic將按差模增益被放大， 但它不是信號(hào)而是類(lèi)似干擾的誤差，稱(chēng)共模誤差電壓。 共模誤差電壓Uic是由于器件本身CMRRD有限而產(chǎn)生

10、?？砂吹刃г碛?jì)算,CMRRD等效變換過(guò)程：,有共模輸入，差動(dòng)放大器有限CMRRD， 等效轉(zhuǎn)換為共模誤差電壓Uic,結(jié)論：,上述轉(zhuǎn)換可以推廣：對(duì)任何一種器件，只要CMRR有限，都可以理解為該器件輸入有一個(gè)共模轉(zhuǎn)化成差模而形成共模誤差電壓Uic。 Uic的計(jì)算：為共模輸入與器件共模抑制比的比值。 Uic的作用：可同差模一樣進(jìn)行放大。,3差動(dòng)放大器共模抑制比計(jì)算,差動(dòng)放大器CMRR：由外回路電阻精度引起的CMRRR和器件本身CMRRD兩部分組成 在差動(dòng)放大電路輸出端產(chǎn)生總的共模輸出電壓為 AcR為僅考慮電阻的共模增益,Ad為差模增益,差動(dòng)放大電路總共模增益為 差動(dòng)放大電路總共模抑制比CMRR是,例

11、1已知差動(dòng)放大電路所用的IC器件共模抑制比CMRRD=100dB,放大電路閉環(huán)差動(dòng)增益Ad=20,電阻誤差=0.1%。求差動(dòng)放大電路的共模抑制比。 解：因電阻精度的共模抑制比為 放大器的總共模抑制比,結(jié)論：,差動(dòng)放大電路為具有共模抑制比放大器。 生物電放大器應(yīng)選用差動(dòng)放大電路形式。 差動(dòng)放大電路的輸入阻抗不高，應(yīng)采用同相并聯(lián)差動(dòng)放大電路。,5.1-3 同相并聯(lián)差動(dòng)放大電路,同相并聯(lián)差動(dòng)放大電路結(jié)構(gòu)組成：,同相并聯(lián)差動(dòng)放大由兩級(jí)電路組成 第一級(jí)：同相并聯(lián)放大電路 特點(diǎn)具有高輸入阻抗，達(dá)10M以上。 具有對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)抑制共模干擾。 第二級(jí)：差動(dòng)放大電路 具有共模抑制能力。,1 第一級(jí)分析,同相并聯(lián)級(jí)計(jì)

12、為CMRR12 假設(shè)理想情況： A1,A2， RF,Rw 輸出分別為uo1和uo2 根據(jù)回路中電流相等,得：,第一級(jí)總輸出電壓 第一級(jí)差模增益為：,分析：,理論上：同相并聯(lián)結(jié)構(gòu)具有完全對(duì)稱(chēng)電路形式，輸出沒(méi)有共模電壓，共模抑制比很大。 實(shí)際：第一級(jí)為CMRR12 取決兩運(yùn)放A1,A2自身共模抑制比的差異。,設(shè)A1、A2分別為有限值CMRR1、CMRR2 按前述結(jié)論，共模輸入為uic 使得 A1 在其輸入端存在共模誤差電壓 Uic/CMRR1 A2在它輸入端存在共模誤差電壓 Uic/CMRR2 共模誤差輸出總電壓（第一級(jí)）：,第一級(jí)共模增益 第一級(jí)共模抑制比CMRR12:,第一級(jí)小結(jié)：,第一級(jí)電路

13、CMRR12取決A1和A2本身共模抑制比的差異。 為使第一級(jí)獲得高共模抑制比，A1,A2器件CMRR1和CMRR2的數(shù)值是否高并不重要，重要的是它們的對(duì)稱(chēng)性。 （實(shí)際使用時(shí)同相并聯(lián)電路后必須有一級(jí)差動(dòng)放大，消除雙端共模電壓。）,例如: CMRR1和CMRR2分別為80dB 、90dB, 則CMRR12為83dB。 而CMRR1和CMRR2分別為80dB和80.5dB， 則CMRR12可高達(dá)160dB,2兩級(jí)總共模抑制比分析,同相并聯(lián)差動(dòng)放大電路：,兩級(jí)放大電路差模增益為： 第一級(jí)：共模抑制比CMRR12 第二級(jí)：差動(dòng)放大級(jí)為 CMRR3,二級(jí)電路共同產(chǎn)生共模輸出電壓，用疊加原理分析， 總共模輸

14、出為： 總共模增益：,兩級(jí)放大電路總共模抑制比為,結(jié)論：,同相并聯(lián)差動(dòng)放大電路共模抑制能力取決于： 第一級(jí)運(yùn)放的CMRR1和CMRR2對(duì)稱(chēng)度 第一級(jí)差動(dòng)增益Ad1 第二級(jí)差動(dòng)放大器的CMRR3 生物電放大電路設(shè)計(jì)應(yīng)按照以上原理和方法進(jìn)行。,例2題：,下圖示為一同相并聯(lián)結(jié)構(gòu)的ECG前置級(jí)實(shí)用電路，所用器件共模抑制比均為100dB。輸入回路中兩電極阻抗分別為20k、23k。放大器輸入阻抗實(shí)際有80M，放大器中所用電阻精度= 0.1%,其它參數(shù)如圖所示。求包括電極系統(tǒng)在內(nèi)的放大電路的總共模抑制比。,例2題：,解： 共模誤差電壓由輸入回路電阻、第一級(jí)、第二級(jí)放大電路共同產(chǎn)生的。 電極阻抗不平衡，將造成

15、共模電壓向差模電壓的轉(zhuǎn)化。 如果嚴(yán)格選擇A1、A2共模抑制比對(duì)稱(chēng)性；則第一級(jí)共模抑制比CMRR12可視為 ,它不在輸出端產(chǎn)生共模誤差,只需計(jì)算電極阻抗不平衡引起共模輸出Uoc： 和A3組成的第二級(jí)共模抑制比有限產(chǎn)生共模輸出Uoc”。,其中 總差模增益： Ad = Ad1 Ad2 = 55 對(duì)于差動(dòng)放大器A3： CMRRR = （1 + Ad2）/4 = (1+ 5)/(410-3) = 1500 CMRRD = 100 (dB) = 10 5 差動(dòng)放大器總共模抑制比,由輸入回路和第二級(jí)放大電路共同在輸出端產(chǎn)生共模誤差為： 整個(gè)電路共模增益為 ：,總共模抑制比為 由于電極阻抗不平衡造成總共模抑制

16、比下降了4dB。,生物電放大器前置級(jí)設(shè)計(jì)步驟為：,(1) 器件選擇: 通過(guò)測(cè)量,確定A1,A2共模抑制比嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)（通常相差不應(yīng)超過(guò)0.5dB）和A3共模抑制比應(yīng)該很高（通常大于100dB） (2)電阻精度 : 第二級(jí)差動(dòng)放大電路中電阻的匹配精度是主要的。（典型設(shè)計(jì)中電阻精度從02提高到01時(shí)，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6dB的改善。）,(3)前置級(jí)增益Ad1 : 前置級(jí)增益確定后，Ad1,Ad2互相制約，但Ad1值取得較高一些，是有利于總共摸抑制能力提高的。,5.1-4前置級(jí)共模抑制能力改善的方法,對(duì)于實(shí)際生物電信號(hào)前置級(jí)放大器，除上述方法外，還通過(guò)其它電路設(shè)計(jì)方法，使放

17、大器獲得更高的共模抑制能力 例如共模屏蔽驅(qū)動(dòng)，共模驅(qū)動(dòng)等,1共模屏蔽驅(qū)動(dòng),從與人體相接觸電極到測(cè)量系統(tǒng)，通常有大于1m的屏蔽電纜（導(dǎo)聯(lián)引線）。存在分布電容C1，C2，電極阻抗RS,RS不平衡，則RS1C1 RS2 C2 ，造成共模電壓不等量衰減，使放大器CMRR下降。 共模屏蔽驅(qū)動(dòng)：使屏蔽層電容不起衰減作用的措施。 取放大電路共模電壓用以驅(qū)動(dòng)屏蔽層，使分布電容C1，C2對(duì)共模電壓不產(chǎn)生分流，相當(dāng)于在共模作用下電纜屏蔽層分布電容不復(fù)存在。,屏蔽層驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì),A1，A2為緩沖器，其輸出分別為： (Uic + Uid/2), (Uic Uid/2)。 用一簡(jiǎn)單電阻網(wǎng)絡(luò)R- R接在A1、A2輸出端，

18、在此網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)取出A1，A2輸出電壓的平均值，這一平均電壓即等于Uic。 經(jīng)過(guò)緩沖放大器A3驅(qū)動(dòng)屏蔽層，從而消除共模電壓由C1、C2引起的不均衡衰減。,2.共模驅(qū)動(dòng),生物電前置級(jí)常設(shè)置一電路用于將人體共模信號(hào)負(fù)反饋加給人體，以便抵消共模干擾的影響，稱(chēng)為共模驅(qū)動(dòng)或者右腿驅(qū)動(dòng)電路， 原理圖,共模驅(qū)動(dòng)電路在放大器前置緩沖級(jí)用一組等值電阻取出共模電壓，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)高增益反相放大器將反相的共模信號(hào)反饋給人體抵消共模干擾的影響。,假設(shè)人體干擾源為Uc,C1為干擾源對(duì)人體分布電容,C2為人體對(duì)地的分布電容, R1為人體對(duì)地的電阻,R2為反饋電阻，即右腿驅(qū)動(dòng)限流電阻,Ri前置緩沖級(jí)輸入阻抗, Uc1為測(cè)量電極處

19、實(shí)際共模電壓,Uc2為共模獲取電路的輸出共模電壓,且 Uc2 Uc1 共模驅(qū)動(dòng)放大器增益K。其輸出為 Uc3K Uc1,根據(jù)電路有,通常，共模驅(qū)動(dòng)放大器增益K取值很大，分母中 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前面兩項(xiàng),則上式的模值可以簡(jiǎn)化為,表明:加入共模驅(qū)動(dòng)電路后，人體共模信號(hào)Uc1和共模驅(qū)動(dòng)放大器增益K成反比，K值一般都很大，使Uc1大幅度下降。 人體共模信號(hào)Uc1還和右腿驅(qū)動(dòng)限流電阻R2成正比，所以R2值應(yīng)越小越好， 但是為防止過(guò)大的驅(qū)動(dòng)電流引起電擊現(xiàn)象，所以R2取值不能太小。R2可以選擇100k。,5.1-5 集成的儀器放大器AD620,同相并聯(lián)差動(dòng)放大有系列集成器件，稱(chēng)謂儀表放大器,例如AD公司的AD620等。 在同相并聯(lián)差動(dòng)放大基礎(chǔ)上，用激光晶片校準(zhǔn)技術(shù)，僅用一個(gè)外接電阻對(duì)增益進(jìn)行準(zhǔn)確的確定 在1和8腳間接入電阻RG以設(shè)置所需增益G： RG取不同值時(shí),得到1到1000電壓增益,優(yōu)點(diǎn)：,低頻噪聲小,從0.1Hz10Hz的噪聲電壓p-p值為0.28v,失調(diào)電壓、溫漂都很小,共模抑制比為110dB,帶寬120kHz(G=100)。 使用時(shí),Ref端通常接地,確保良好接地是保持高共模抑制比必須的。 穩(wěn)定性、溫漂:電阻RG應(yīng)選用精密線繞電阻。 電源端常外接0.1F電容,為去除耦合干擾,應(yīng)用時(shí)要注意就