直流脑电放大器.docx
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直流脑电放大器
直流脑电放大器
电池供电
姓名：
杨旭
学号：
3008202317
班级：
生物医学工程1班
指导教师：
李刚教授
第一部分——设计背景
二十一世纪标志着科学的发展已经进入了一个新的时代，这一时代被世纪科学界公认为是生物科学和脑科学的时代。
对人脑的研究是推人类认识生命发展奥秘解决脑健康问题的重要途径，目前脑科学研究的方法很多，而脑电信号分析是其中最基础也是最重要的一种。
脑电（electroencephalograph,EEG）信号作为一种特殊而复杂的生物电信号，反应了大脑的功能状态。
大脑皮层的神经元具有生物电活动,经常有持续的节律性电位改变,称为自发脑电活动，通过一定的方式检测这些电活动可以有效地提取人脑中蕴藏的丰富的信息，对着些信息的分析有助于深入的了解大脑的功能，同时可发现大脑的异常病变从而及时诊断大脑疾病。
脑电知识：
脑电信号是与反映大脑神经活动有关的生物电位，由皮层内大量神经元突出后电位同步总和所形成的，是许多神经元共同活动的结果。
现已知道，在脑表面的脑电波强度（相对于参考电极的描记）可以达到10mv；而从头皮描记的，只有100uf的较小的振幅，一般为10-50uV，其频率范围从0.5-100Hz。
脑电波的频率特性比幅度特性在临床上更为重要。
按波的重复节律不同，国际把脑电波分为四种基本波形：
α波：
频率为8~13Hz，振幅为20~100uV。
在安静闭目时即出现，波幅呈现由小到大，再由大到小的梭状，睁眼思考时则阻断出现快波。
β波：
频率为14~30Hz，振幅为5~20uV。
在睁眼思考问题是出现，表示大脑皮质的兴奋。
θ波：
频率为4~7Hz，振幅为100~150uV。
在困倦时出现，表示中枢神经处于抑制状态。
δ波：
频率为0.5~3.5Hz，振幅为20uV。
在清醒时不出现，只在睡眠、深度麻醉、缺氧和大脑有器质性病变时出现。
一般而言，脑电波由高振幅的慢波转变为低振幅快波，表示兴奋状态的增强。
在临床上，可借助于脑电波的变化诊断皮质肿瘤及癫痫病人，所以脑电的测量是很重要的。
由此可知，脑电信号具有如下特点：
（1）信号微弱。
在提取脑电信号时很容易受外界信号的影响。
（2）频率较低，一般在0.5Hz~100Hz间。
（3）脑电信号的特征与大脑皮质的活动程度有很大关系，不同状态下有很大不同。
脑电放大器所放大的脑电信号幅值范围为10~200uV，频率为0.5~30Hz。
第二部分——电路设计
一、设计要求
1．放大倍数：
≥10000倍
2．输入阻抗：
≥10MΩ
3．共模抑制比：
≥65dB
4．输入噪声：
≤3uV
5．通带频率范围：
0.5~35Hz
6．直流供电：
电池供电，设计稳压电路
二、干扰及噪声分析
1、极化电压：
当有电流流经电极和皮肤上的电解质溶液之间时，电极会产生极化现象并长生极化电压。
普通电极的极化电压在200mv左右，比所要测定的生物电信号强。
选用Ag-AgCl电极能够减小极化电压到几毫伏。
另外在电极与组织表面加一层导电膏可以使两者之间耦合良好从而减小噪声。
对电路要求：
极化电压是以差模形式存在的直流电压，放大电路的前级放大器的增益不能过大，防止输出饱和。
且要在输出端加入滤波电路出去直流部分。
2、电子元件噪声：
包括电阻热噪声，有源电子器件中的散粒噪声，晶体管的低频噪声。
脑电信号微弱，这些噪声对信号的干扰会严重影响信号的提取和放大，因此要尽量减小这种噪声，提高信噪比。
对电路的要求：
选择低噪声器件，前置放大电路要选择低噪声芯片并尽可能提高增益。
3、50Hz工频干扰：
50Hz是普遍存在的交流干扰，幅值可达到脑电信号幅度的1~3个数量级，这是脑电信号提取面临的重大障碍。
虽然电路中为提取0.5~35Hz的脑电信号要设计低通滤波器，但这不能保证将工频信号衰减到可接受范围，所以要设计陷波电路。
4、外界生物电信号：
在对脑电信号进行提取时，其他生物电信号相对来说都是噪声。
对电路的要求：
前级放大电路的共模抑制比要高以提高系统的整体性能。
设计滤波电路滤去不需要的频段信号。
三、
整体设计
（电池供电）稳压模块
四、具体分析
（一）前置放大电路及右腿驱动电路
R6
320k
Rg
C1
1μf
R5
320k
C3
1μf
C2
1μf
R71M
R910M
R410k
R3
10k
R2
10k
R1
10k
Rw
5k
R810k
A4
A5
A3
A2
A1
前置放大是整个脑电信号采集电路的核心部分，也是决定能否测得信号的关键部位，因此对前置放大级的要求较高。
（1）并联差动放大：
由运放A1、A2组成的并联差动放大电路。
人体阻抗较大，为了更好的提取有用信号，则要求前级放大电路输入阻抗高，共模抑制比高。
理论上，在理想情况下，并联差动放大器的输入阻抗无穷大，共模抑制比无穷大，且与电阻匹配精度无关。
共模信号按系数为1的比例由第一级传输到第二级。
由于电极噪声的存在，第一级的放大倍数不宜选择太大，一般在5倍左右。
选择由Ad1=
取R1=R2=10k，Rw=5k,
考虑到电阻阻值并不精确，当Rw在4.9K~5.1K范围内时，其放大情况接近5倍，可以接受。
●芯片选取：
型号
LM324
OPA4251
TLC071
带宽
1.2MHz
35KHz
10MHz
输入失调电压
最大7mv
最大100μV
最大1mV
输入偏置电流
最大250nA
最大20nA
最大50pA
输入失调电流
最大150nA
*
*
电源
单电源：
3V~32v
双电源：
±32v
2.7~36V
±1.35V~18V
2.5v~16V
共模抑制比
≧65dB
≧100dB
≧100dB
其他
轨—轨输出
低噪声
申请到的TLC071系列的芯片是贴片式的，要配置转接板，会增大整个电路的结构，且交易损坏；而LM324噪声较大，不利于脑电的提取，因此选择OPA4251。
（2）阻容耦合电路+高通滤波
在提取脑电信号时会掺杂许多不同频率的干扰和噪声，其中极化噪声可达几百毫伏，不利于信号的后级放大。
极化电压可看作低频信号，利用C1、R5和C2、R6构成的无源高通滤波器滤除。
由ƒc=
选择C1=C2=1μ，则R5=R6=320k
考虑到电阻阻值无320k，当R=330k时，ƒ=0.48Hz,可以满足要求。
或者选择300K电阻与20K电阻串联。
（4）共模驱动电路
共模取样驱动电路由两个等值电阻R3、R4和一只由运算放大器A3组成的跟随器构成。
A3的输入信号取自A1和A2输出端两个串联电阻的中点电压Vc，即当只有差模信号的输出V01=V02时，有VC=0，则运放A3的输出电压为0，等同于接地；而当兼有共模电压和差模信号输入时，A3的总输出只包含输入信号的共模部分VC=1/2（Vi1+Vi2）。
从而使得共模信号不经阻容耦合电路的分压直接加在集成放大器的输入端，避免了由于阻容耦合电路的不匹配而降低电路整体的共模抑制比。
（5）（右腿驱动电路）
可用此电路减少位移电流的干扰，减少共模信号。
R7起限流保护作用，C3使右腿驱动电路稳定。
●芯片选取
OP07：
一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。
特点：
超低偏移：
150μV最大。
低输入偏置电流：
1.8nA。
低失调电压漂移：
0.5μV/℃。
超稳定，时间：
2μV/month最大
高电源电压范围：
±3V至±22V
（6）第二级放大
用仪用放大器为核心构成放大电路。
仪用放大器精度高，输入阻抗高，共模抑制比高，有利于脑电信号的放大。
放大倍数设为100倍左右。
●芯片选择
INA128/129
AD620
MAX4194
电源范围
±2.3~±18V
±2.3~±18V
+2.7～+7.5V
输入失调电压
最大50uV
最大50uV
最大50uV
输入失调电流
最大10nA
最大0.5nA
最大3nA
输入偏置电流
最大5nA
最大1nA
最大20nA
共模抑制比
最小120dB
最小100dB
最小115dB
漂移
0.5uV/℃
0.6uV/℃
0.5uV/℃
输入噪声电压
8nV/√Hz
9nV/√Hz
85nV/√Hz
经比较，三种运放都满足要求，但INA128/129的共模抑制比较高，且噪声电压小，选择此芯片。
根据其增益计算公式：
INA128:
G=1+
Rg=500Ω，可获得101倍的增益
INA129:
G=1+
Rg=500Ω可获得98.8倍的增益
（二）低通滤波器
脑电信号的频率集中在0.5~35Hz，低通滤波器的截止频率为35Hz。
滤波器的选择有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器。
其中巴特沃斯滤波器的幅频特性在通带内最为平稳，并且单调变化。
●方案一：
用LM324自制一个六阶巴特沃思滤波器低通滤波器
缺点：
此方案对电阻电容的精度要求较高，不容易调节，实现困难
●方案二:
选用5阶巴特沃斯滤波芯片MAX280
MAX280特性：
低通滤波无直流误差
电源范围：
4.75V~16V
低通带噪声
直流到20kHz的截止频率
功耗：
500mW
该滤波器只要使用一个外围电阻和电容，就能把集成电路与直流信号通路隔开，从而实现极好的直流精度。
图中AGND和OUT引脚应设置在1/2电源电压，根据式中信号计算公式（截止频率为35Hz），选择C=0.47u,计算得R=15.68K,由于没有此阻值的电阻，选择R=16K,Cosc=0.1u
●方案三：
选用MAX291八阶巴特沃思低通滤波滤波器
MAX291特性：
低通带噪声
单电源5V双电源
5V
八阶巴特沃斯低通滤波器
转折频率：
振荡频率=1：
100
内部或外部时钟
外围电路简单，仅需一个电容,容值决定振荡频率
分析：
因为随着电路阶数的增加，相频特性的非线性增加，相频特性变坏，经权衡，选择MAX280.
（三）50Hz陷波电路
A2
A1
C2
C1
R5
R3
R2
R1
R4=（1-k）R
C3
50Hz工频干扰时脑电信号的主要干扰，虽在前面的五阶巴特沃斯低通滤波器中已将其滤除，但为了防止可能有的干扰，应再次对其进行滤波。
使R3/2=R1=R2=R,C1=C2=C3/2=C
双T滤波器的特性主要取决于两个方面，两支路的R、C的对称程度将决定陷波点所能达到的最低程度。
只有保持R1、R2和R3之间以及C1、C2和C3之间的严格对称关系，才能使对应于ƒ0的频率信号互相抵消衰减到零。
陷波点的衰减程度将影响信号的质量，衰减不够将减低信噪比。
滤波器的特性参数：
ƒc=
Q=
K值越大，Q值越高，频率选择性越好。
但是Q值太高，滤波器的性能不稳定，因此一般选择在十至几十的范围。
通常取k=0.8左右，K值过大，将在50Hz附近丢失太多的信号，产生波形失真。
但考虑到脑电信号的最高频率在35Hz左右，所以K值可以选择稍高一点。
参数选择：
Q=20，K=0.975；C1=C2=0.1uf,C3=0.2μF；R1=R2=32KΩ，R3=16KΩ，R4为10k电位器，R5=30KΩ。
考虑到电容的容值没有0.2uf,可用两个0.1uf的电容并联得到。
（四）后级放大电路
经过前面的放大，此时的脑电信号已被放大Av=5×100=500倍
要达到将信号放大10000倍的要求，则后级放大电路的放大倍数应在20倍以上。
经过前面对干扰信号的处理，此处得到的脑电信号已经是较理想的信号，所以后级放大可直接选用反向放大电路。
Vin
R1
200K
R2
5M
在反向放大器前加一电容，滤除信号中的直流部分以及前一级引入的漂移电流。
参数选取：
增益Av=
=-25
取R1=200kΩ,R2=5MΩ；平衡电阻为R3=R1/R2=192kΩ，取R3=200KΩ;C1=2.2uf
（五）电源稳压电路
直流脑电放大器采用四节1.5V干电池供电，V=1.5×4=6V。
但干电池在充满的且为理想的情况下才能达到1.5V。
电路中所选用的芯片最低供电电压在3V左右，所以需要设计稳压电路
方案一：
采用稳压芯片MAX603/604降压，TL7660反向
MAX603是低压差线性稳压器，具有预置5V（MAX603）/3.3V（MAX604）或可调两种输出方式，输出电压范围为1.25V~11V。
由于此稳压芯片有一定的压降，因此将6V的电池电压直接加于芯片两端降压至3.3V得到正电压。
用TL7660反向后可得到-3.3V的负压。
●TL7660
开关电容稳压器，可将范围介于1.5V—10V之间的输入电压转换成-1.5V—-10V的补偿负输出电压，条件是仅需要两个外部电容。
特性：
简易电压转换器，其中包括：
负压转换器、倍压器
•宽泛的电压工作范围：
1.5V至10V
•仅需两个外部（非临界）电容器
•典型开路电压转换效率：
高达99.9%
•典型电源效率：
高达98%
方案二：
利用TL7660的倍压功能
L7660可用于实现正电压的倍加，电路如上图所示，输出电压为：
Vout=2Vcc-2Vf
其中Vcc为电源电压，Vf是二极管D1的正向压降。
此方案中，可选用两节干电池共3V，倍增到6V。
倍压后再利用TL7660的反向功能得到反向电压。
二极管选用锗二极管，其导通电压在0.2—0.4V。
方案三：
利用升压稳压芯片TPS63030
特性：
96%的转换效率
500mA的输出电流（升压模式，Vin>2.4V）
输入电压范围：
1.8V-5.5V
可调输出：
1.2V-5.5V
低输出功率，高效率
过温保护
但申请到的芯片为贴片式，不易使用。
采用第一种或者第二种方案，最终要根据实验情况而定。
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