医用仪器放大器Word文件下载.docx

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6.频宽取决于输入信号频率

7.高线性度

3.2输入隔离器

在生理监护仪中，信号调节放大器电路是由前置隔离电路、电极选择开关、电压放大器及驱动显示器的功率放大器所组成的。

前置隔离电路用来提高监护系统的输入阻抗，以便把病人与仪器隔离开来。

因为大多数监护仪是由电网供电，而供电电源可能漏电，给病人造成危险。

因此，通过传感器电极作用到病人身上的杂散交流电必须减少到最低限度，为此，应使该系统的输入阻抗提高到约50MΩ，而隔离放大器就能达到上述的要求。

图3.2表示一个典型的隔离放大电路。

在这个电路中，用两只相同的晶体管Q1和Q2串联而成射极跟随器电路。

显然，放大器的输入阻抗可由共发射极电流增益β乘以输出阻抗而求得。

由于晶体管型号相同，则输入阻抗的表达式可写成

Zin=β2Zo

其中基极电阻R1用来维持Q1的直流偏置，并不影响输出阻抗Zo；

而射极电阻Ｒ２对输出电阻却有影响。

在这种开关电路中，输出电阻等效于Ｒ２和下一级输入阻抗的并联值。

开关电路额定输出电阻相当于１０ＫΩ,额定R2值相当于1KΩ或更低。

当R2为确定的数值时，由比值10：

1就可以确定达林顿管对的输出阻抗。

在达林顿晶体管对中典型的β值约为98至99，这将产生约10MΩ的输入阻抗。

这是一个极高的阻抗，在第二个晶体管的发射极与第一个晶体管的集电极之间可以接一个反馈网络，这个反馈网络称为自举电路（如图3.3所示）。

由自举分压网络R1和R2所产生的反馈电压与第一晶体管的集电极相连，输入电路信号电平升高，就使通过集电极的信号幅值增加，从而使晶体管的偏置工作点发生改变，结果便提高了输入阻抗。

反馈强度与串联R1、R2和R3之值成正比例。

用这种方法，输入阻抗通常可以提高到约50MΩ.

值得注意的是，图3.3中电阻R4和图3.2中电阻R3是用来限制流经Q2的电流的。

尽管这些电路的电压增益近似为0.9，但电流和功率增益却是十分高的。

倘若第二只晶体管的电流不受限制，那么它便会烧毁。

生理监护仪通常使用3到5个电极传感器。

由这些传感器检测的波形，实际上是任何两个电极之间的电化学电压差，而在每个电极与开关电路之间要求有一个隔离放大器。

信号放大器可分为直流（DC）和交流（AC）放大电路两种。

3.3直流（DC）放大器

DC放大器可在频率为零直至声频范围（20至20000HZ）内工作而无明显的增益损失。

为了说明DC放大器，我们选用三只串联的金属氧化物半导体场效应管组成电路.，如图3.4所示。

所用的MOSFET管具有3μA标称漏极电流，漏极对地的电压为10V。

输入信号施加于第一只MOSFET的栅极，经放大后，吧第一管漏极信号传给下一管的栅极。

末极的漏极采用两只100KΩ电阻构成分压器，输出电压取自分压器中心轴头；

由于漏极偏置在+10V，为使静态的输出电压为零，则下端的电阻需接到-10V电源上。

当一个交流信号源作用于DC放大器的输入端时，便可得到一个放大了的输出电压。

直接耦合放大器的主要问题是热飘移，因此放大器的第一级必须采取补偿措施，以便在温度改变时不致引起偏置电平的变化。

如果偏置电平的变动被误认为是放大器的正常输入信号，则它将被第一级及其以后的各级放大，这样，即使对于很小的热扰动，累加效应也将引起大的输出变动，而温度补偿则可校正这种效应。

放大器直流漂移可通过输出电压的变化来说明，这与用摄氏度表示温度变化的作用是一样的，所用的温度补偿在大小上必须恰好与这个漂移值相同，而方向相反。

尽管我们讨论的是MOSFETDC放大器，但还有许多别的电路也属于这一类，不论他们采用何种形式都具有相似的性能。

由于级间没有耦合元件，DC放大器的偏置易相互影响，其电路的稳定性由反馈电路实现。

高增益信号放大器可以由三级RC耦合放大器串联而成，如图3.5所示，在图中，第一级输入信号加在晶体管基级与地线之间，第一级输出信号取自晶体管集电极与地之间，该输出信号电压通过耦合电容Cc2耦合到下一级。

一般共发射级结构在每一级中都有一单双级型晶体管，并采用通用偏置电路。

由于每一级所用的NPN通用晶体管实质上上是一种开关型器件，因此他们的工作点必须偏置于导通状态。

为此，三个NPN晶体管的基极电位必须比发射极的电位更正一些才行。

为了提高每一级的电压增益．通常发射级电阻必须并联一个电容〔又称射级旁路电容），对交流而言可看成是发射级直接接地。

第二级的耦合电容Cc2与Ql的集电极和Q2路基级相连。

就直流电压来说，Cc2相当于开路，以致Q1集电极直流电压对Q2的基极偏置电压无任何影响。

因此每一级的静态工作电压能单独设置，输入电压Vin透过电容器耦合到Ql的基极，第一级放大电压Avin，即Vl，与Vin相位相反，第二级的放大输出电压V2是A2Vin，第三级的输出V3是A3Vin。

A是各级的电压放大倍数。

为了快速计算图3．5所示三级RC耦合放大器输入电阻,必须计算Ql，Q2和Q3的输入电阻以及射级电流。

由于三个通用偏置电路是相同的，故发射极直流电流的计算将适用于三只晶体管。

第一级的直流偏置电压VB可以通过R1和R2的串联分压乘以电源电压而求得，以图3.5为例说明之：

R1＝60kΩ

R2＝30kΩ

Ecc＝12V

则VB=30×

12／（30+60）=4V

当略去发射结正向压降后，发射极电压VE也为4V。

每一级的发射电阻为RE，并假设其值为4.0KΩ则射极电流IE为4V／4kΩ，即每级为lmA。

三只晶体管工作在同样的DC工作状态下，以致每一级输入电阻近似为50β／IE（mA）。

如β=100，则输入电阻为50xl00／1＝5kΩ。

第二级的实际输入电阻为R1，R2与Rc并联值，如Rc为5KΩ,则第二级输入电阻为20×

5×

1000／（20+5）=4KΩ。

而第一、二和三级的实际输入电阻为4KΩ。

3.4功率放大器

功率放大（也称为大信号放大器）的基本功能是一最小的是真对负载提供驱动功率，并获得最大的功率增益。

偏置于甲类的放大器是最常见的线性电路，其偏执电驴叫为复杂且效率较低，但稳定性较高。

甲乙类推挽功率放大器是最理想的功率放大器，其主要特点是具有较高的效率，输出功率大而失真小。

乙类功率放大器具有较大的失真，如果不采用好的平衡推挽电路，它将不适用于作为音频功率放大器。

冰雷放大器具有最有效的偏执方式，使用于输入振幅较大的系统中。

功率放大器广泛应用于临床，这些应用包括点外壳输出电路、ECG记录驱动电路、继电器驱动电路以及控制电路等。

3.6差动放大器

用于测量双极性信号的放大器，如在心电图（ECG）、脑电图（EEG）以及肌电图（EMG）等仪器中所常见的，通常称为差动放大器。

差动放大器可放大假在两输入点击之间的微小信号。

在理想情况下，这种信号的能量将来自生理源；

然而，由于实际设计的限制，某种不需要的信号也将混杂在输入信号中，这种不希望的信号称之为共模信号。

共模信号可有各种原因产生，其中包括60HZ电源分布干扰信号、接地不良、电源漏电。

或是生理监护仪一类仪器工作是产生的杂散心好。

工性能的差动放大器能抑制大多数共模信号，这取决于所用的两只晶体管的平衡和匹配程度。

共模信号的减小称之为共模抑制。

就ECGEEG和EMG的测量而言，共模抑制通常规定为100—120Db.频率为60HZ和120HZ的共模抑制是很重要的，应对其进行CMR测量。

对于生理参数监护仪隋瑶检测的输入电压是EEG测量的1mV到EMG测量的近于10MV之间。

这些电压的频率范围是从直流到音频范围的，如ECG信号的频率范围是在0.05-100HZ之间，EEG信号对头皮测量和对0.5-100MS脉冲的大脑皮层测量来说，其频率范围在5-100HZ之间，以及MEG信号为10HZ-10KZ之间。

图3.7给出了从输入级直至生理监护仪之间的差动放大器线路图，其电压增益是15,而CMR的典型值是120Db.

晶体管Q1和Q2以串联方式接到正电源上，而Q3和Q4以串联方式接到负电源上，它连接后在Q5的控制下，两侧实际工作在恒流源状态，其中Q5是高阻抗电流源。

当输入信号作用于栅极时便会使通过差动放大器两半边电流的平衡发生偏离，从而电流通过R5和R6便产生电压差。

如果驱动Q2的输入信号比驱动Q3的输入信号更正实，则通Q2的集电极电流增加，而通过Q3的集电极电流则减少，其结果是使得Q1的集电极变负、Q4的集电极变正。

显然，输入信号见的差值越大，在输出端产生输出电压就越大。

单独一台生理监护仪可用于测量ECG\EEG和EMG多中信号测量，因为其在差动输入放大器后面带有一个差动放大器，称之为增益装置或增益选择器，其构成如图308所示。

在上述电路中，Q1和Q2构成差动放大器，而Q1和Q2的直流偏流由电阻R2和电阻R4来确定。

由于电路两边平衡，将没有电流通过R3。

当信号出现在Q1和Q2的基极时，有R2、R3和R4偏移构成偏置网络形成的电流，通过两只晶体管以改变失调量，使输出信号放大并反相。

这正好从Q1和Q2的集电极所见到的波形一样。

当输入信号大于晶体管所能承受的电压时，基极-发射极间二极管能防止反相基极-射极结击穿。

一般ECG、EEG和EMG工作的增益选择由分路选择开关来完成，而Q1和Q2集电极电路之间的旁路负载阻抗则由选择开关来改变，每增加一档位置，电路有效增益便增加十倍。

在Q1和Q2的集电极之间放置并联电容C1可以确定放大器的带宽。

由于选择开关每增加一档，并联阻抗增加10倍，因此带宽也变化10倍。

对于ECG带宽一般限制在100HZ左右，对EEG大约为1KHZ，而对EMG则为10KHZ。

3.7反馈放大器

反馈的意思是将输出电压或电流信号成比例地送回到输入端，其目的是将放大器具有一个现行稳定输出，而不受其它因素的影响。

恒压系统的输出电路应具有低的阻抗，而恒流系统应具有高的阻抗。

当输入信号与反馈信号相减时，则构成正反馈。

如果设计不当，带有正反馈的系统本身会是不稳定的，因此除了振荡器外，正反馈放大器一般比较少用。

而负反馈能使电路稳定，因此得到广泛的应用。

负反馈能使系统的如下一些性能得以改善：

1.放大倍数恒定（增益稳定）

2.增加带宽

3.减少内部的噪声和失真

4.改善相位特性

5.增加输入阻抗

采用负反馈网络的放大器如图3.9所示，由R1与R2之比所确定的部分输出电压反馈到运算放大器的输入端。

当开关S打开时，电压增益等于输出电压Vo1除以输入电压V，而开关S闭合时输入电压Vin=Vs+βVO1。

我们知道，放大器开路时其输出电压Vo1=GVin.因此

Vin=V+βVO1（带反馈）（3-1）

Vo1=GVin（无反馈）（3-2）

Vin=Vo1／G=V+βVO1（3-3）

Vo1=GV+βVO1（3-4）

Vo1／V=overallgain=G／1-βG（带反馈）（3-5）

带反馈放大器的总增益时内部反馈系数βG的函数。

3.8运算放大器

运算放大器已广泛用于生物电子仪器中，由于集成电路制造工艺的不断改进，集成运算放大器已大大提高了可靠性并且尺寸也减少了，这使运算放大器的使用更加广泛。

运算放大器时一种稳定、高增益的直流放大器，它通常带有深度负反馈。

照这样制成的函数放大器，相对的不受负载的影响，温度稳定性