生物医学信号放大器

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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H波，只有1～ 10μV，比心电信号弱得多，再有胎儿心电 信号的幅度约为5μV，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。
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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 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 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 的电路技术，如负反馈放大技术。
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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。
可见，高频脉冲的 频谱形状是由脉冲频谱 决定的，高频脉冲的频 谱位置是高频振荡频率 来决定。
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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， 常利用频谱分析手段，从中提取有用的生物 信号作为临床诊断的依据。
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第二节 常用滤波电路
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 入干扰的具体情况，一般在放大器等 处理装置前加有滤波器。
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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 引出垂线，其长度表示相应的振幅an，这 种图称为振幅频谱，也常简称为频谱 (spectrum)。而an2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 的位相谱，称为位相频谱。
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基波和二次谐波的振幅 相同，初位相为零。
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式中Af和Φf分别为振幅和位相频谱。
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矩形脉冲的宽度为τ ，高度为1／τ，面积为1。波形的中 点在时间坐标t的零点。
频谱的横坐标按照fτ划分，频率以1/τ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1/τ 成正比。
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钟罩形波， τ为波形下降到最大值的0.6065所需时间， 1/(2 π f)为脉冲的高度，面积为1。它的频谱很平滑。
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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 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 定的放大器。
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二. 生物医学信号的频谱
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。
基波和二次谐波的振幅 相同，但二次谐波的初 位相为π/2。从下面的 位相频谱图中可以看到。
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2. 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
(impulse)。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。 连续频谱的波形叠加用积分式表达为：
U(t)2Af co弦式周期波形包含多种频率的正弦波成分。 用数学表达为：
U t a nsi2 n fn t ( n ) n 0 ,1 ,2 ,3 ...
式中当n=1时，fn为f1，是非正弦式周期 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fn都是基频的整数 倍，称为n倍频，相应的正弦波为n次谐波。
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一. 生物电信号的特点及其放大器
生物电信号的频带主要在低频和超低 频范围内，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 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。
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相 当于数微伏无规则电压，为了使生物电信号 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，电源 也要采取特殊稳定的措施。
第三章 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 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据。
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，最后简述功 率放大器。
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主要内容
• 第一节 生物医学信号的特点及频谱 • 第二节 常用滤波电路 • 第三节 负反馈放大器 • 第四节 直流放大器 • 第五节 功率放大器
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第一节 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 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 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 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 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 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 被统称为生物医学信号。
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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。
如人体动脉压力波形比较平滑，根据 频谱分析大约含有10个谐波，而心电波形， 因它含有比较陡的R波，故大约含有30~60 个谐波。
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高频脉冲：即振幅 随一个脉冲波形变化的 高频振荡。图(a)表示振 幅随一脉冲波形变化的 高频振荡，图(b)是它的 频谱，可以从原先脉冲 的频谱得到。把原先脉 冲的频谱对称地向负频 率侧延伸，然后向右移 动f0的距离，就得到。