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第三章生物醫(yī)學常用放大器第一節(jié)生物醫(yī)學信號的特點一 生物電信號的基本特征1 產生 心電 腦電 肌電2 生物電信號特征 頻率特性 頻率在0 幾千 z 幅值特性 信號弱 噪聲強 干擾信號 信號源輸出阻抗高二 生物放大器的特點針對生物電信號的特點 醫(yī)學生物放大器應具備如下基本特點 有精確而穩(wěn)定的放大倍數(shù) 反饋 放大器前級應具有很高的輸入阻抗 高共模抑制比 低噪聲的場效應管 低漂移 放大器的頻率和幅值與生物信號的頻率和幅值很接近 適當?shù)耐l帶 第二節(jié)負反饋放大器一 反饋 feedback 的基本概念1 概念 指將系統(tǒng)的輸出量 電壓或電流 的一部分或全部 通過一定的方式送回到輸入端 并對輸入和輸出造成一定影響的過程 2 分類 按照反饋極性可分為正反饋和負反饋A 正反饋 反饋信號使放大電路凈輸入信號增加 從而使放大電路的輸出信號比沒有反饋時增大 B 負反饋 反饋信號使放大電路凈輸入信號減少 從而使放大電路的輸出信號比沒有反饋時減小 按信號類型可分為直流反饋和交流反饋A 直流反饋 反饋信號為直流量 B 交流反饋 反饋信號為交流量 正負反饋判別采用 瞬時極性法 在放大器輸入端假設輸入信號在某一瞬時對地的極性為正或負 或 然后根據(jù)放大器各級電路輸入端與輸出端信號間的相位關系 同相或反相 標出電路各點的瞬時極性 再得到反饋端信號的極性 最后通過比較反饋端與輸入端信號的極性來判斷電路的凈輸入信號是加強還是減弱 其具體判別法為 當輸入信號和反饋信號不在同一節(jié)點引入時 若兩瞬時極性相同 則為負反饋 若兩極性相反 則為正反饋 當輸入信號和反饋信號在同一節(jié)點引入時 若兩瞬時極性相同 則為正反饋 若兩極性相反 則為負反饋 例 判斷下列反饋是正反饋還是負反饋 分析 a 在放大器輸入端假設輸入信號在某一瞬時對地的極性為 由于信號從反相輸入端輸入 則輸出端信號對地極性為 經(jīng)過反饋電阻Rf得到的反饋信號極性為 如圖所示 因輸入信號和反饋信號不在同一節(jié)點引入 兩信號極性相反 所以為正反饋 b 在放大器輸入端假設輸入信號在某一瞬時對地的極性為 由于信號從同向輸入端輸入 則輸出端信號對地極性為 經(jīng)過反饋電阻Rf得到的反饋信號極性為 如圖所示 因輸入信號和反饋信號不在同一節(jié)點引入 兩信號極性相同 所以為負反饋 二 負反饋的基本類型1 類型根據(jù)反饋定義 反饋取樣的對象可以是電壓 也可以是電流 而反饋信號引回到輸入端的連接方式可以是串聯(lián) 也可以是并聯(lián) 因而反饋有四種類型 電壓串聯(lián)反饋 電壓并聯(lián)反饋 電流串聯(lián)反饋 電流并聯(lián)反饋2 反饋類型的判別 串聯(lián) 并聯(lián)反饋判定 并聯(lián)反饋 反饋信號與輸入信號在同一節(jié)點引入 反饋信號和輸入信號是以電流的形式進行比較 串聯(lián)反饋 反饋信號與輸入信號不在同一節(jié)點引入 反饋信號和輸入信號是以電壓的形式進行比較 3 應用 例2 判別下列反饋類型 電壓 電流反饋判定 電壓反饋 反饋信號為輸出電壓 反饋信號大小與電路的輸出電壓成正比 電流反饋 反饋信號為輸出電流 反饋信號大小與電路的輸出電流成正比 判別時也可采用使電路輸出端短路 若反饋仍存在則為電流反饋 若不存在為電壓反饋 分析 a 由于反饋信號和輸入信號在同一節(jié)點引入 所以為并聯(lián)反饋 若將輸出端短路時 反饋信號將不存在 所以是電壓反饋 此反饋為負反饋 如圖所示 故為電壓并聯(lián)負反饋 b 由于反饋信號和輸入信號不在同一節(jié)點引入 所以為串聯(lián)反饋 若將輸出端短路時 反饋信號將不存在 所以是電壓反饋 此反饋為負反饋 如圖所示 故為電壓串聯(lián)負反饋 特性 該類電路通常是用來從給定的信號電壓ui獲得較大的輸出電流io A 轉移跨導 GF io uiio ic ibui ube uF rbeib ic ib Re rbeib 1 ibReGF io ui rbe 1 Re 1 Re無反饋時 ui ube rbeib G0 rbe GF負反饋使GF減小 但使其更穩(wěn)定 三 四種類型負反饋放大電路1 電流串聯(lián)負反饋 電路 如圖所示 原理 反饋信號與輸入信號不在同一節(jié)點 同時極性相同 為串聯(lián)負反饋 若將輸出端短路 反饋仍存在 故為電流串聯(lián)負反饋 由GF io ui得io GF ui 因ui恒定 同時GF 1 Re也恒定 故io恒定 C 穩(wěn)定放大倍數(shù)Au uo ic RL ib RL RL RC RL AF uo ui ic RL ui GF RL RL Re GF io ui io ic 無反饋時 Au RL rbe AF負反饋使AF減小 但使其穩(wěn)定 D 對Ri Ro的影響 電流負反饋使輸出電阻Ro增大 串聯(lián)負反饋使輸入電阻Ri增大 B 恒流源 電流串聯(lián)負反饋常應用到直流 把一個穩(wěn)定電壓加到基極 從集電極獲得穩(wěn)定的輸出電流 稱為恒流源 電路如圖所示 2 電壓串聯(lián)負反饋 電路 如圖所示 射極跟隨器 源極跟隨器 原理 射極跟隨器和源極跟隨器的原理相似 以射極跟隨器為例 反饋信號與輸入信號不在同一節(jié)點 同時極性相同 為串聯(lián)負反饋 若將輸出端短路 反饋不存在 故為電壓串聯(lián)負反饋 特性 A 穩(wěn)定放大倍數(shù)AFui uo ube uo rbeibuo ieRe 1 ibRe Re Re RL AF uo ui 1 Re rbe 1 Re 1由此可見電路放大倍數(shù)略小于1 但其非常穩(wěn)定 輸出電壓總是跟隨輸入電壓變化 故稱為跟隨器 follower 此電路不能放大電壓 但能夠放大電流和功率 B 對Ri Ro的影響 電壓負反饋使輸出電阻Ro減小 串聯(lián)負反饋使輸入電阻Ri增大 3 電壓并聯(lián)負反饋 電路 如圖所示 原理 反饋信號與輸入信號在同一節(jié)點 同時極性相反 為并聯(lián)負反饋 若將輸出端短路 反饋不存在 故為電壓并聯(lián)負反饋 特性 A 穩(wěn)定放大倍數(shù)AF負反饋使信號源提供的電流ii被反饋電阻分了一部分 基極電流ib實際減小 輸出電壓減小 故使放大倍數(shù)減小 但更穩(wěn)定 B 對Ri Ro的影響 電壓負反饋使輸出電阻Ro減小 并聯(lián)負反饋使輸入電阻Ri減小 4 電流并聯(lián)負反饋 電阻RE2和RF是聯(lián)系輸入和輸出的公共支路 因此電路中有反饋支路 有反饋存在 反饋類型 假設輸出電壓短路 T2的射極電流仍存在 故是電流反饋 從反饋支路輸入端的連接方式看 輸入信號和反饋信號在同一節(jié)點引入 故屬并聯(lián)反饋 用瞬時極性判斷可知 由于反饋電流的存在 使凈輸入信號減小 電路是負反饋 所以電路是電流并聯(lián)負反饋 負反饋放大器開環(huán) 無反饋 放大倍數(shù) A XO Xd 反饋電路的反饋系數(shù)為反饋信號與輸出信號之比 引入負反饋后的凈輸入信號為 Xd Xi Xf 故 Af XO Xi Xf 三 負反饋對放大器性能的影響1 降低放大器的放大倍數(shù) F Xf XO 負反饋放大器 有反饋 閉環(huán)放大倍數(shù)為 Af XO Xi A 1 FA 2 提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性 例3 1某一放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)A 1000 若由于環(huán)境溫度的影響 使A下降為600 若引入負反饋 反饋F 0 01 試比較引入負反饋前后電壓放大倍數(shù)的相對變化量 解A 1000時A A 1 FA 1000 1 1000 0 01 90 91 A 600時A A 1 FA 600 1 600 0 01 85 71 開環(huán)電壓放大倍數(shù)的相對變化量 A A 40 6 反饋回路中電阻值不宜過大 避免產生熱噪聲 閉環(huán)電壓放大倍數(shù)的相對變化量 A A 5 7 3 減小非線性失真 4 展寬放大器的通頻帶 5 串聯(lián)負反饋增大輸入電阻 并聯(lián)負反饋減小輸入電阻 電壓負反饋減小輸出電阻 電流負反饋增加輸出電阻 見書本59頁表3 2 放大電路的反饋類型 判別方法和對放大電路性能的影響 第三節(jié)直流放大器生物醫(yī)學信號是低頻信號 所以直流放大器得到廣泛應用 由于直流放大器用于放大直流信號或變化緩慢的電信號 產生了直流放大器所特有的問題 即級間耦合和零點漂移 一 零點漂移 1 概念 在直流放大器中 各級之間采用直接耦合 所以在放大器中任一點的直流電位改變都會改變輸出端電壓的變化 當輸入信號電壓為零時 輸出電壓應為零或保持某一穩(wěn)定值 在實際電路中 由于溫度變化 元件老化等原因 使得當輸入信號電壓為零時 直流放大器輸出端電壓有緩慢變化 這種現(xiàn)象稱為零點漂移 溫漂 2 產生原因 電阻變化 老化 可采用高精度電阻并經(jīng)防老化處理 電源電壓波動 采用高穩(wěn)定度的直流穩(wěn)壓電源 晶體管參數(shù)隨溫度變化 主要原因 環(huán)境溫度變化 晶體管的參數(shù)改變 電路工作狀態(tài)發(fā)生改變 3 減小主要措施 利用非線性元件進行溫度補償利用溫度對非線性元件 如半導體二極管 熱敏電阻 的影響來抵消溫度對晶體管參數(shù)的影響所產生的漂移 采用差動式放大電路利用兩只型號 特性相同的晶體管進行溫度補償 二 直流放大器的級間耦合1 直接耦合 把前一級的輸出端直接接到后一級的輸入端 2 直接耦合的形式 把前級的集電極直接連到后級的基極電路 如圖所示 特點 A 元件少 結構簡單 B 為保證晶體管正常工作 后級的基極電勢被抬高 級數(shù)增多 電路不能正常工作 C 射極電阻Re逐級增大 電流負反饋加深 放大倍數(shù)逐漸減少 輔助電源法電路 如圖所示 特點 A 利用R1 R2和輔助電源的作用 使各級有適當?shù)墓ぷ鼽c B 信號經(jīng)過R1 R2分壓傳輸有損失 互補管交替使用把PNP型晶體管和NPN型晶體管交替使用 電路如圖所示 特點 各晶體管有適當工作點 信號傳輸無損失 應用較多 3 直流耦合的優(yōu)缺點 在直接耦合下前后放大電路直接相連 可放大變化緩慢的信號 也可以反映信號直流電平的變化 也可放大交流信號 低頻特性好 由于無電容 便于集成 前后級靜態(tài)工作點不獨立 相互影響 三 差分放大器 differentialamplifier 1 電路結構 如圖所示 電路結構是對稱的 電路中兩個晶體管的特性一致 對稱的元件也相同 信號電壓由兩個基極輸入 放大后的輸出電壓由兩管的集電極輸出 輸出電壓與兩個輸入端的輸入信號之差成正比 故稱為差分放大器 2 工作原理 當無輸入信號時 即Ui 0時 Ui1和Ui2均為零 溫度變化將產生零點漂移 由于電路的對稱性 U01 U02 則輸出電壓U0 U01 U02 即輸出電壓不隨溫度發(fā)生漂移 放大作用 當輸入端加一信號電壓Ui時 T1管的輸入為Ui 2 T2管的輸入為 Ui 2 即兩管獲得大小相等 極性相反的信號電壓 即差模信號Ui1 Ui2 Ui 2 因電路完全對稱 有Ic1 Ic2 Ic U01 U02 IcRc 所以輸出電壓U0 U01 U02 2IcRc 由此可見 輸出電壓U0是單管輸出電壓U01 U02 的兩倍 與單管電路相比 輸入電壓也增大了一倍 因此電壓放大倍數(shù)與單管電路相同 差模電壓放大倍數(shù)為 抑制零點漂移作用 因電路是完全對稱的 無論是溫度變化 還是電壓波動 都會引起兩管集電極電流和集電極電壓有相同的變化 即 Uc1 Uc2或 U01 U02 而輸出電壓變化 U0 U01 U02 0 即輸出電壓不變 抑制了零點漂移 若在T1管和T2管的輸入端輸入大小相等 極性相同的電壓信號 即共模信號 Ui1 Ui2 由上述可知輸出電壓為U0 U01 U02 0 則差動放大器對共模信號有抑制作用 共模放大倍數(shù)為Ac 0 上述電路在雙端輸出或對稱輸出時 抑制零點漂移能力是比較強的 但如果采用單端輸出或不對稱輸出時 此時電路零點漂移和單管放大電路一樣 沒有抑制作用 必須對電路加以改進 3 典型差分放大器 長尾電路 電路結構 為了限制單端輸出的漂移電壓 要設法穩(wěn)定流過每個管子的電流 故在原電路的基礎上在兩管的射極電路中接入了公共電阻Re和負電源 Ee 如圖所示 公共電阻Re和負電源 Ee具有什么作用呢 射極電阻Re的作用由前面討論射極偏置電路知 Re具有穩(wěn)定工作點的作用 從反饋的觀點看 起電流負反饋作用 具有恒流特性 同時電路采用雙管結構 電流負反饋作用增強 可更有效地抑制輸出電壓漂移 當兩端輸入信號Ui1 Ui2 0時 溫度發(fā)生變化其每個管子的抑制過程可簡單表示如下 T1 T IC1 IE UE UBE1 IB1 IC1 T2 T IC2 IE UE UBE2 IB2 IC2 由此可見 Re對共模信號有很強的電流負反饋作用 零點漂移被抑制 且Re越大抑制作用越強 Re對差模信號卻無抑制作用 因為在電路輸入端輸入差模信號時 一管電流增加 另一管電流減小 在電路完全對稱的情況下 IE1的增加量和IE2的減少量相等 流過Re的電流IE不發(fā)生變化 即Re對差模信號無負反饋作用 負電源 Ee的作用 Re越大 電路抑制零點漂移能力越強 但Re越大 電路的工作點將下移 為什么 電路電壓放大倍數(shù)下降 為了使Re有較高的數(shù)值 又能保證各管子有合適的工作點 在發(fā)射極電路中接入 Ee 用來補償Re上的電壓降 以保證晶體管有合適的工作點 靜態(tài)工作點的計算 由圖可知 決定基極電流的主要因素是輔助電源和射極電阻 因此 不用基極電阻也可以建立合適的工作點 差模放大倍數(shù)Ad差模放大倍數(shù)與單管放大倍數(shù)相同 即 其中Rs為信號源內阻 對于雙端輸入單端輸出的差動放大電路 其差模放大倍數(shù)為 共模放大倍數(shù)Ac 對于雙端輸入單端輸出的差動放大電路 其共模放大倍數(shù)為 由此可見 Re越大 其抑制共模信號的能力越強 輸入 輸出電阻輸入電阻 Ri 2rbe輸出電阻 雙端輸出時 Ro 2Rc 單端輸出時 Ro Rc 4 性能 共模抑制比 差動放大器有效地放大差模信號的同時 對共模信號有很強的抑制作用 差模放大倍數(shù)越大 共模放大倍數(shù)越小 則共模抑制能力越強 放大器的性能越好 將差模放大倍數(shù)與共模放大倍數(shù)的比值 稱為共模抑制比 用KCMR表示 雙端輸出的共模抑制比為 理想的差動放大電路 AC 0 因而KCMR 5差分放大器的輸入 輸出方式 1 雙端輸入雙端輸出 3 單端輸入雙端輸出 4 單端輸入單端輸出 有四種方式 2 雙端輸入單端輸出 由于差分放大器選用的是直接偶合方式 它是集成運算放大器的基礎 在下一章具體介紹 3 單端輸入雙端輸出 4 單端輸入單端輸出