第二章 生物电前置放大器

结论：共模增益Ac1=0 ，放大器的CMRR = ∞
实际情况： （1） CMRR 不可能 ∞；CMRRD （2） 电阻精度，CMRRR
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影响差动放大器共模抑制能力的因素
1、由电阻失配所造成的CMRRR
Ad 1 + Ad CMRRR = = Ac 4
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2、由定义可知，CMRRD即开环差动增益Ad’与 共模增益Ac’之比：
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1.2 生物电前置放大器工作原理

低噪声低漂移
措施： 差动输入形式
电路对称结构，严格挑选器件
采用调制式直流放大器
设置“复零”电路，将基线在特殊情况下 复零
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1.2 生物电前置放大器工作原理

设置保护电路
放大器输入保护(保护电路本身)
人体安全保护：输入端的电流电压必须在安全水平；
Ad ' CMRRD = Ac '
3、器件本身共模抑制比CMRRD对总共模抑制比 CMRR影响
Ad CMRRD CMRRR CMRR = = Ac CMRRD + CMRRR
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1.2 生物电前置放大器工作原理

影响CMRR因素：

放大电路闭环增益
外电路电阻匹配精度 放大器件本身 CMRRD
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1.1 生物信号基本特征

3、噪声强
噪声是指其它信号对所研究对象信号的干扰。

如电生理信号总是伴随着由于肢体动作、精神紧张等带来 的干扰，而且常混有较强的工频干扰；
诱发脑电信号中总是伴随着较强的自发脑电；从母腹取到

的胎儿心电信号常被较强的母亲心电所淹没。

交流电、电子元器件噪声干扰。
要求采用一系列的有效的去除噪声的算法。
第二章 生物电前置放大器

生物信号基本特征
生物电前置放大器工作原理 隔离级设计
1
第二章 生物电前置放大器

1.1 生物信号基本特征
化学信息 生命信号
物理信息 生物电
人体有机物发生变化时给出的信息。
主动电信号 电信号 被动电信号
非电信号：体温、血压、肺活量…
人体各器官运动时产生的信息。

1.1 生物信号基本特征
' d
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1.2 生物电前置放大器工作原理

高共模抑制比

为了抑制人体携带的工频干扰及其它生活 干扰，需高CMRR（60~80dB）

源阻抗Zs1与Zs2的不平衡会造成输入转化
为差模输入，造成干扰。

解决的办法，提高放大器的输入阻抗。
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1.2 生物电前置放大器工作原理

高共模抑制比（高输入阻抗）
校准电路：

a).检验仪器工作情况； b).校准仪器指示值。
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1.2 生物电前置放大器工作原理
二． 差动放大电路分析方法
生物放大器的前置级，都采用差动放大电路结构。
分析参数：共模抑制能力和输入阻抗
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RF + +
uid/2+ ui1 uid/2 ui2
R1 + R2 R3 uo
-
= uoc + uod
Uoc、uod的数值均由外回路电阻决定，若：
R3 RF RF 1 + R R +R - R =0 1 2 3 1
共模输入uic完全被抑制，不产生共模误差。
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电阻的匹配条件为：
R1=R2， RF=R3
Uo Uo RF Ad = = = U i d U i1 - U i 2 R1
高输入阻抗 高共模抑制比 低噪声低漂移 设置保护电路
放大器的核心是前置放大
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1.2 生物电前置放大器工作原理

高输入阻抗
C s1
RT 1
us
Rs1
E1
RL1
C1 Ri
RT 2
US=生物信号电压 Z s1 u0 C2 Ri RT1,RT2=人体电阻，几十～几百欧姆 E2 Zi R u s2 s Rs1,R K～150K s2=电极与皮肤的接触电阻，几 E1,E2=电极极化电压，几十～几百毫伏 RL 2 Zi RL1,R C s 2L2=信号线和放大器输入保护电阻，<30K Ri=放大器输入电阻 Z s2 C1,C2=信号线对地电容，数十皮法 u CM
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例题
差动放大器电路所用的IC器件的共模抑制比 CMRRD=100dB，放大电路闭环差动增益Ad=20，电阻误 差δ =±0.1%，求放大器的总共模抑制比。当Ad=1时， 放大器的总共模抑制比又是多少？
1 + Ad CMRR R = = 5250 = 74.4dB 4
放大器的总共模抑制比：
1.2 生物电前置放大器工作原理
同相并联差动结构电路作为生物电放大器前置级的设 计步骤为： (1)器件选择。确定A1、A2共模抑制比严
格对称（通常相差不应超过0．5dB）和高共模抑制 数的A3（通常大于100dB）。
(2)第二级差动放大电路中电阻的匹配精度。
比参
(3)前置级增益以及组成前置级的两级放大电路的增益分配。
可方便增益调节，结构对称，有利于克服失调、 飘
移的影响。
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差动放大第二级电路
两级总增益：
RF 2 RF Ad = Ad 1 Ad 2 = (1 + ) Rw R1
uic uic Ad + Ad 2 总的共模输出： uoc = CMRR12 CMRR3 uoc 1 1 1 A = = A ( + ) 总的共模增益： c d uic CMRR12 CMRR3 Ad 1
U+ = U 得：
; I+ = I- = 0
uo 2 - ui 2 ui 2 - ui 1 ui 1 - uo1 = = RF Rw RF
uo 2
RF RF = (1 + )ui 2 ui 1 Rw Rw
RF RF - uo1 = ui 2 - (1 + )ui 1 Rw Rw
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1.2 生物电前置放大器工作原理
差动放大器的输入阻抗 ri=2R1
综上分析： 基本差动放大器这一电路形式不能满足生物电 放大器前置级高输入阻抗要求的 解决办法： （1）把差动输入信号都从同相端输入，大大提高输入 阻抗（可高达10M以上）。 （2）在差动放大电路前面增加缓冲级（同相电压跟随 器），实现阻抗变换。
CMRRD CMRRR CMRR = 4.99103 74dB CMRRD + CMRRR
比IC器件的共模抑制比小26dB。而当Ad＝1 时，放大电路的共模 抑制比进而下降为53.9dB。
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1.2 生物电前置放大器工作原理
三、典型差动放大应用电路
1、同相并联结构的前置放大电路
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理想运放的条件：虚短、虚断；
两级总CMRR： CMRR =
Ad A CMRR12 CMRR3 = d1 Ac Ad 1CMRR3 + CMRR12
若： CMRR12 >> Ad1CMRR3 , 则 CMRR Ad1CMRR3
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1.2 生物电前置放大器工作原理 结论:
同相并联差动放大器总共模抑制比主要 取决于第一级的差动增益及第二级 的共模抑 制能力
非电信号：体温、血压……
3
1.1 生物信号基本特征

生物信号基本特征
信号弱 频率低 噪声强 随机性强
生物电信号源阻抗高
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1.1 生物信号基本特征

1、信号弱
通常生物电信号的幅度较低，只有毫伏级甚至微伏
级。

胎儿心电信号仅为10～50μV； 自发脑电信号约5～150μV， 体表心电信号相对较大，最大可达5mV。
提取生物信号，必需经过一定的放大处理。
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1.1 生物信号基本特征

2、频率低
生物电信号频率主要在低频和超低频范围内，且频带
较宽。

除心音信号频谱成分较高外，其它电生理信号的频谱一般 较低。 如心电的频谱为0.01～35Hz， 脑电的频谱分布在l～30Hz之间。

获取、放大、处理时要充分考虑对信号的频率响应特性。
uic
理想运放的条件：虚短、虚断； U + = U -
; I+ = I- = 0
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两输入端信号ui1和ui2由共模电压uic和差模信号uid组成：
uic
1 = ( u i1 + u i 2 ) 2
uid = ui1 - ui 2
ui 2 1 = uic - uid 2
1 u =u + u i1 ic 2 id
Ad1 值取得较高一些，是有利于总的共模抑制能力的提高 的。
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1.2 生物电前置放大器工作原理
2、同相串联结构的前置放大电路


获得高输入阻抗
减少放大器数量
3、专用仪器放大器构成前置放大器
如：AD620、INA118

体积小，功耗低；
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2、同相串联结构的前置放大电路
特点： 少用－个运放，提高输入阻抗。 差动信号均由同相端进入，A1的输 出uo1和ui2一起送入，从A2获得单端 输出，故称串联结构。
CMRR = Ad CMRR1 CMRR2 CMRRR = Ac CMRR1 CMRR2 + CMRRR (CMRR2 - CMRR1 )
= RT 2 +
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1.2 生物电前置放大器工作原理
放大器差模增益为Ad ，输出电压 U o 2Z i Uo = Us Ad LL (2 - 3) Z S1 + Z S 2 + 2Z i Uo = = << = Z i，并今Ad 设 Z S 1 Z S 2 Z S ，且 Z S