生物医学常用信号放大器.ppt

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第三章第三章生物医学常用放大器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。

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，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、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，最后简述功直流放大器的工作原理及特点，最后简述功率放大器。

率放大器。

第一节第一节生物医学信号的特点及频谱生物医学信号的特点及频谱第二节第二节常用滤波电路常用滤波电路第三节第三节负反馈放大器负反馈放大器第四节第四节直流放大器直流放大器第五节第五节功率放大器功率放大器主要内容主要内容第一节第一节生物医学信号的特点及频谱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。

其中携带生物信息的信号称为生物信号。

其中生物电信号生物电信号是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。

产生的信号，如心电、脑电、肌电等。

非生物电信号非生物电信号是是由于人体各种非电活动产生的信号，如心音、血压波、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。

被统称为生物医学信号。

生生物物电电信信号号的的频频带带主主要要在在低低频频和和超超低低频频范范围围内内，各各种种生生物物电电中中包包含含了了频频率率很很低低的的成成分分。

在在第第二二章章中中介介绍绍的的阻阻容容耦耦合合多多级级放放大大器器很很难难通通过过这这种种频频率率的的信信号号，所所以以本本章章将将介介绍绍适适应应这这种种频率特点的直流放大器。

频率特点的直流放大器。

通通常常生生物物电电信信号号的的幅幅度度较较低低，只只有有毫毫伏伏级级甚甚至至微微伏伏级级，而而普普通通的的电电子子元元件件的的噪噪声声相相当当于于数数微微伏伏无无规规则则电电压压，为为了了使使生生物物电电信信号号不不被被噪噪声声淹淹没没，放放大大器器的的前前级级必必须须选选用用高高质质量量的的电电阻阻和和电电容容，低低噪噪声声的的场场效效应应管管，电电源源也要采取特殊稳定的措施。

也要采取特殊稳定的措施。

一一.生物电信号的特点及其放大器生物电信号的特点及其放大器另外生物电信号的整个频带中要求另外生物电信号的整个频带中要求放大器的放大器的放大倍数稳定、均匀，在信号放大倍数稳定、均匀，在信号幅度范围内具有良好的线性幅度范围内具有良好的线性。

对于生物。

对于生物电放大器来讲，电压放大倍数一般都较电放大器来讲，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。

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，必须采取一定为了使输出波形不失真，必须采取一定的电路技术，如的电路技术，如负反馈放大技术负反馈放大技术。

生生物物体体的的阻阻抗抗很很高高，这这意意味味着着生生物物信信号号源源不不仅仅输输出出电电压压幅幅度度低低，而而且且提提供供电电流流的的能能力力也也很很差差，因因此此要要求求生生物物电电放放大大器器的的前前级级必必须须具具有有很很高高的的输输入入阻阻抗抗，以以防防止止生生物物电电信信号号的的衰衰减减，但但高高输输入入阻阻抗抗易易引引入入外外界界干干扰扰，特特别别是是市市电电50Hz的的干干扰扰，为为了了提提高高放放大大器器输输入入信信噪噪比比，常常常加入常加入50Hz陷波器。

陷波器。

生生物物电电信信号号的的信信噪噪比比较较低低，这这是是由由于于生生物物体体内内各各种种无无规规律律的的电电活活动动在在生生物物电电信信号号中中形形成成噪噪声声，有有些些生生物物电电信信号号被被其其他他更更强强的的电电活活动动所所淹淹没没，如如希希氏氏束束电电图图H波波，只只有有110V，比比心心电电信信号号弱弱得得多多，再再有有胎胎儿儿心心电电信信号号的的幅幅度度约约为为5V，比比母母体体心心电电信信号号弱弱很很多多，使使噪噪声声电电压压超超出出生生物物电电信信号号电电压压。

当当无无用用信信号号掩掩盖盖了了有有用用信信号号时时，提提取取这这些些电电信信号号就需要借助于微弱信号检测技术。

就需要借助于微弱信号检测技术。

总总之之，为为适适应应生生物物医医学学信信号号频频率率较较低低且且频频带带较较宽宽、阻阻抗抗较较高高且且幅幅度度较较低低和和信信噪噪比比较较小小的的特特点点，必必须须选选用用低低截截止止频频率率、高高输输入入阻阻抗抗和和放放大大倍倍数数稳稳定的放大器。

定的放大器。

二二.生物医学信号的频谱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，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。

幅度不同、频率不同、初位相不同的正弦波。

1.周期性波形的频谱周期性波形的频谱非正弦式周期波形包含多种频率的正弦波成分。

非正弦式周期波形包含多种频率的正弦波成分。

用数学表达为：

用数学表达为：

式中当式中当n=1时，时，fn为为f1，是非正弦式周期，是非正弦式周期波的重复频率，称为波的重复频率，称为基频基频。

此频率的正弦波称。

此频率的正弦波称为为基波基波，其它正弦波的频率，其它正弦波的频率fn都是基频的整数都是基频的整数倍，称为倍，称为n倍频，相应的正弦波为倍频，相应的正弦波为n次次谐波谐波。

以频率为横轴，振幅为纵轴，在横轴以频率为横轴，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引出垂线，其长度表示相应的振幅an，这，这种图称为振幅频谱，也常简称为种图称为振幅频谱，也常简称为频谱频谱（spectrum）。

而。

而an2组成功率频谱，简称为组成功率频谱，简称为功率谱功率谱。

各种频率成分的初位相声。

组成。

各种频率成分的初位相声。

组成的位相谱，称为的位相谱，称为位相频谱位相频谱。

基波和二次谐波的振幅基波和二次谐波的振幅相同，初位相为零。

相同，初位相为零。

基波和二次谐波的振幅基波和二次谐波的振幅相同，但二次谐波的初相同，但二次谐波的初位相为位相为/2/2。

从下面的。

从下面的位相频谱图中可以看到。

位相频谱图中可以看到。

2.脉冲波形的频谱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。

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。

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：

连续频谱的波形叠加用积分式表达为：

式中式中Af和和f分别为振幅和位相频谱。

分别为振幅和位相频谱。

矩形脉冲的宽度为矩形脉冲的宽度为，高度为，高度为1，面积为，面积为1。

波形的中。

波形的中点在时间坐标点在时间坐标t的零点。

的零点。

频谱的横坐标按照频谱的横坐标按照f划分，频率以划分，频率以1/为单位，其振幅频谱为单位，其振幅频谱有正负振幅不断摆动，且延伸很远，范围与有正负振幅不断摆动，且延伸很远，范围与1/成正比。

成正比。

钟罩形波，钟罩形波，为波形下降到最大值的为波形下降到最大值的0.6065所需时间，所需时间，1/（2f）为脉冲的高度，面积为为脉冲的高度，面积为1。

它的频谱很平滑。

它的频谱很平滑。

由这两个脉冲的频谱图可见：

脉冲愈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，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。

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，根据如人体动脉压力波形比较平滑，根据频谱分析大约含有频谱分析大约含有10个谐波，而心电波形，个谐波，而心电波形，因它含有比较陡的因它含有比较陡的R波，故大约含有波，故大约含有3060个谐波。

个谐波。

高频脉冲：

即振幅高频脉冲：

即振幅随一个脉冲波形变化的随一个脉冲波形变化的高频振荡。

图高频振荡。

图（a）表示振表示振幅随一脉冲波形变化的幅随一脉冲波形变化的高频振荡，图高频振荡，图（b）是它的是它的频谱，可以从原先脉冲频谱，可以从原先脉冲的频谱得到。

把原先脉的频谱得到。

把原先脉冲的频谱对称地向负频冲的频谱对称地向负频率侧延伸，然后向右移率侧延伸，然后向右移动动f0的距离，就得到。

的距离，就得到。

可见，高频脉冲的可见，高频脉冲的频谱形状是由脉冲频谱频谱形状是由脉冲频谱决定的，高频脉冲的频决定的，高频脉冲的频谱位置是高频振荡频率谱位置是高频振荡频率来决定。

来决定。

在对生物体的一切生物医学信号进行分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，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。

信号作为临床诊断的依据。

第二节第二节常用滤波电路常用滤波电路根据生物医学信号特点的分析，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，一般在放大器等入干扰的具体情况，一般在放大器等处理装置前加有处理装置前加有滤波器滤波器。

所谓滤波器就是一种使有用信号所谓滤波器就是一种使有用信号顺利通过，而使无用信号被消除或衰顺利通过，而使无用信号被消除或衰减的电子电路。

在滤波电路中必须包减的电子电路。

在滤波电路中必须包括与频率有关的元件如电容和电感。

括与频率有关的元件如电容和电感。

生物医学仪器中的滤波电路，通常由生物医学仪器中的滤波电路，通常由电容器和电阻器组合而成。

电容器和电阻器组合而成。

在滤波理论中，通常把能够通过的信在滤波理论中，通常把能够通过的信号频率范围定义为号频率范围定义为通带通带，而把消除或衰减，而把消除或衰减的信号频率范围定义为的信号频率范围定义为阻带阻带。

通带和阻带。

通带和阻带的界限频率，包括的界限频率，包括下限频率下限频率和和上限频率上限频率。

具体电路有高通和低通滤波，带通和具体电路有高通和低通滤波，带通和带阻滤波，双带阻滤波，双T滤波和滤波和50Hz陷波等。

陷波等。

一一.高通滤波高通滤波高高通通滤滤波波只只允允许许信信号号中中高高频频成成分分顺顺利利通通过过，且且衰衰减很小，而消除或减弱低频噪声。

电压传输函数为：

减很小，而消除或减弱低频噪声。

电压传输函数为：

式中，式中，URf是是uR中频率为中频率为f的交流成分的交流成分的有效值，的有效值，Uf是电路中频率为是电路中频率为f的总电压的的总电压的有效值。

有效值。

输出电压输出电压URf比总电压有效值比总电压有效值Uf超前一超前一位相位相R。

滤波特点：

滤波特点：

（1）当频率很低时，当频率很低