共模抑制比课件

第三章第三章 信号处理信号处理生物信号属低频微弱信号生物信号属低频微弱信号生物信号属低频微弱信号生物信号属低频微弱信号信号处理主要包括：信号放大、滤波、信号隔离信号处理主要包括：信号放大、滤波、信号隔离信号处理主要包括：信号放大、滤波、信号隔离信号处理主要包括：信号放大、滤波、信号隔离本章重点：前置放大级的设计本章重点：前置放大级的设计本章重点：前置放大级的设计本章重点：前置放大级的设计第一节第一节第一节第一节 生物电放大器前置级原理生物电放大器前置级原理生物电放大器前置级原理生物电放大器前置级原理一、基本要求一、基本要求一、基本要求一、基本要求1 1 1 1、高输入阻抗、高输入阻抗、高输入阻抗、高输入阻抗2 2 2 2、高共模抑制比、高共模抑制比、高共模抑制比、高共模抑制比3 3 3 3、低噪声、低漂移、低噪声、低漂移、低噪声、低漂移、低噪声、低漂移4 4 4 4、设置保护电路、设置保护电路、设置保护电路、设置保护电路第三章信号处理生物信号属低频微弱信号信号处理主要包括1（一）高输入阻抗（一）高输入阻抗（一）高输入阻抗（一）高输入阻抗输入阻抗不高输入阻抗不高输入阻抗不高输入阻抗不高信号衰减、失真信号衰减、失真信号衰减、失真信号衰减、失真电极面积电极面积电极面积电极面积影响电流密度、电极阻抗影响电流密度、电极阻抗影响电流密度、电极阻抗影响电流密度、电极阻抗（一）高输入阻抗输入阻抗不高信号衰减、失真电极面积2设：差模增益：差模增益为Ad，输出出电压为Uo ，得：得：设Z Zs1s1=Z=Zs2s2=Z=Zs s，且，且Z Zs sZ1M5M200M100M输入端短路噪声（p-p）10V3V0.7V8V共模抑制比60dB80dB100dB80dB频带0.05-250Hz0.5-70Hz0.5Hz-3kHz2Hz-10kHz 板电极片状或针电极电极放大器名称输入阻抗1M4（二）高共模抑制比（二）高共模抑制比 UCM为共模干共模干扰电压，放大器，放大器输入端入端A、B两点的两点的电压分分别为：则共模共模电压转化化为差模差模电压UA-UB通常，则：则共模电压转化为差模电压UA-UB通常5（三）低噪声低漂移（三）低噪声低漂移（三）低噪声低漂移（三）低噪声低漂移措施：措施：措施：措施：差动输入形式差动输入形式差动输入形式差动输入形式电路对称结构，严格挑选器件电路对称结构，严格挑选器件电路对称结构，严格挑选器件电路对称结构，严格挑选器件采用调制式直流放大器采用调制式直流放大器采用调制式直流放大器采用调制式直流放大器设置设置设置设置“复零复零复零复零”电路，将基线在特殊情况下电路，将基线在特殊情况下电路，将基线在特殊情况下电路，将基线在特殊情况下复零复零复零复零（三）低噪声低漂移措施：6（四）设置保护电路（四）设置保护电路（四）设置保护电路（四）设置保护电路人体安全保护电路人体安全保护电路人体安全保护电路人体安全保护电路放大器输入保护电路放大器输入保护电路放大器输入保护电路放大器输入保护电路校准电路校准电路校准电路校准电路（四）设置保护电路人体安全保护电路7二、差动放大电路分析方法二、差动放大电路分析方法二、差动放大电路分析方法二、差动放大电路分析方法分析参数：共模抑制能力和输入阻抗分析参数：共模抑制能力和输入阻抗分析参数：共模抑制能力和输入阻抗分析参数：共模抑制能力和输入阻抗二、差动放大电路分析方法分析参数：共模抑制能力和输入阻抗8共模抑制比课件9两两输入端信号入端信号u ui1i1和和u ui2i2由共模由共模电压u uicic和差模信号和差模信号u uidid组成：成：理想运放理想运放：（1）输入阻抗很高，同相、反相输入端电流小）输入阻抗很高，同相、反相输入端电流小 到可忽略到可忽略I+=I-=0；（2）Av很高，输出电压有限，很高，输出电压有限，U+=U-所以：所以：两输入端信号ui1和ui2由共模电压uic和差模信号uid组10Uoc、uod的数的数值均由外回路均由外回路电阻决定，若：阻决定，若：共模共模输入入uic完全被抑制，不完全被抑制，不产生共模生共模误差。差。Uoc、uod的数值均由外回路电阻决定，若：共模11电阻的匹配条件为：R1=R2，RF=R3结论：共模增益：共模增益Ac1=0，放大器的，放大器的CMRR=实际情况：情况：（1）CMRR 不可能不可能；CMRRD（2）电阻精度，电阻精度，CMRRR 电阻的匹配条件为：结论：共模增益Ac1=0，放大器的CMR12影响差动放大器共模抑制能力的因素影响差动放大器共模抑制能力的因素影响差动放大器共模抑制能力的因素影响差动放大器共模抑制能力的因素1 1、由电阻失配所造成的、由电阻失配所造成的、由电阻失配所造成的、由电阻失配所造成的CMRRCMRRR R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CMR133 3 3 3、器件本身共模抑制比、器件本身共模抑制比、器件本身共模抑制比、器件本身共模抑制比CMRRCMRRCMRRCMRRD D D D对总共模抑制比对总共模抑制比对总共模抑制比对总共模抑制比CMRRCMRRCMRRCMRR影响影响影响影响 2 2、由定由定义可知，可知，CMRRD即开即开环差差动增益增益Ad与共与共模增益模增益Ac之比：之比：3、器件本身共模抑制比CMRRD对总共模抑制比CMRR影响14结论：结论：结论：结论：（1 1）在同时考虑电阻失配和器件本身的）在同时考虑电阻失配和器件本身的）在同时考虑电阻失配和器件本身的）在同时考虑电阻失配和器件本身的CMRRCMRRD D的影响时，放大器总的的影响时，放大器总的的影响时，放大器总的的影响时，放大器总的CMRRCMRR将进一步将进一步将进一步将进一步下降；下降；下降；下降；（2 2）差动放大器的共模抑制能力受到放大电路）差动放大器的共模抑制能力受到放大电路）差动放大器的共模抑制能力受到放大电路）差动放大器的共模抑制能力受到放大电路闭环增益、外电路电阻匹配精度以及放大器闭环增益、外电路电阻匹配精度以及放大器闭环增益、外电路电阻匹配精度以及放大器闭环增益、外电路电阻匹配精度以及放大器本身共模抑制比等因素影响。本身共模抑制比等因素影响。本身共模抑制比等因素影响。本身共模抑制比等因素影响。结论：153 3 3 3、差动放大器的输入阻抗、差动放大器的输入阻抗、差动放大器的输入阻抗、差动放大器的输入阻抗 r r r ri i i i=2R=2R=2R=2R1 1 1 1综上分析：综上分析：综上分析：综上分析：基本差动放大器这一电路形式不能满足生物电基本差动放大器这一电路形式不能满足生物电基本差动放大器这一电路形式不能满足生物电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放大器前置级高输入阻抗要求的放大器前置级高输入阻抗要求的放大器前置级高输入阻抗要求的解决办法：解决办法：（1 1）把差动输入信号都从同相端输入，大大提高输入）把差动输入信号都从同相端输入，大大提高输入 阻抗（可高达阻抗（可高达10M10M 以上）。以上）。（2 2）在差动放大电路前面增加缓冲级（同相电压跟随）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。器），实现阻抗变换。3、差动放大器的输入阻抗解决办法：16例题例题 差动放大器电路所用的差动放大器电路所用的差动放大器电路所用的差动放大器电路所用的ICICICIC器件的共模抑制比器件的共模抑制比器件的共模抑制比器件的共模抑制比CMRRCMRRCMRRCMRRD D D D=100dB=100dB=100dB=100dB，放大电路闭环差动增益，放大电路闭环差动增益，放大电路闭环差动增益，放大电路闭环差动增益A A A Ad d d d=20=20=20=20，电阻误，电阻误，电阻误，电阻误差差差差=0.1%=0.1%=0.1%=0.1%，求放大器的总共模抑制比。当，求放大器的总共模抑制比。当，求放大器的总共模抑制比。当，求放大器的总共模抑制比。当Ad=1Ad=1Ad=1Ad=1时，时，时，时，放大器的总共模抑制比又是多少？放大器的总共模抑制比又是多少？放大器的总共模抑制比又是多少？放大器的总共模抑制比又是多少？放大器的放大器的总共模抑制比：共模抑制比：比比ICIC器件的共模抑制比小器件的共模抑制比小26dB26dB。而当。而当A Ad d1 1 时，放大，放大电路的共模路的共模抑制比抑制比进而下降而下降为53.9dB53.9dB。例题差动放大器电路所用的IC器件的共模抑制比CMRRD=1017三、差动放大器应用电路三、差动放大器应用电路三、差动放大器应用电路三、差动放大器应用电路（一）同相并联结构的前置放大电路（一）同相并联结构的前置放大电路（一）同相并联结构的前置放大电路（一）同相并联结构的前置放大电路 三、差动放大器应用电路（一）同相并联结构的前置放大电路18共模抑制比课件19共模抑制比课件20共模抑制比课件21第一级共模抑制比第一级共模抑制比CMRRCMRR1212,则：则：第一级共模抑制比CMRR12,则：22结论结论:1 1、第一级放大电路的共模抑制比能力取决、第一级放大电路的共模抑制比能力取决于运放器件于运放器件A A1 1、A A2 2本身共模抑制比的差异。本身共模抑制比的差异。2 2、为消除因、为消除因CMRRCMRR1 1、CMRRCMRR2 2不为无穷大而造不为无穷大而造成成A A1 1、A A2 2输出端有与输入端相同的共模电输出端有与输入端相同的共模电压，故应在压，故应在A A1 1、A A2 2输出端接一级差动放大，输出端接一级差动放大，以消除共模电压在电路中的传递。以消除共模电压在电路中的传递。结论:23共模抑制比课件24共模抑制比课件25共模抑制比课件26两级放大电路总共模抑制比：两级放大电路总共模抑制比：在严格挑选在严格挑选在严格挑选在严格挑选A1A1A1A1、A2A2A2A2，使，使，使，使CMRR1CMRR1CMRR1CMRR1、CMRR2CMRR2CMRR2CMRR2严格对称时严格对称时严格对称时严格对称时 则：则：则：则：CMRRCMRRCMRRCMRR12121212AAAAd1d1d1d1 CMRRCMRRCMRRCMRR3 3 3 3 有：有：有：有：CMRRCMRRCMRRCMRR A A A Ad1d1d1d1 CMRRCMRRCMRRCMRR3 3 3 3 两级放大电路总共模抑制比：27结论结论:同相并联差动放大器总共模抑制比主要同相并联差动放大器总共模抑制比主要同相并联差动放大器总共模抑制比主要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取决于第一级的差动增益及第二级取决于第一级的差动增益及第二级取决于第一级的差动增益及第二级 的共模抑的共模抑的共模抑的共模抑制能力制能力制能力制能力结论:28例例3-13-1：如如图图所所示示为为同同相相并并联联结结构构的的ECGECG前前置置级级实实用用电电路路，所所用用器器件件的的共共模模抑抑制制比比均均为为100dB100dB。输输入入回回路路中中两两电电极极阻阻抗抗分分别别为为20k20k、23k23k。放放大大器器输输入入阻阻抗抗实实际际有有80M80M。放放大大器器中中所所用用电电阻阻的的精精度度=0.10.1，其其他他参参数数如如图图所所示示。求求包包括括电电极极系系统统在在内内的的放放大大电电路的总共模抑制比。路的总共模抑制比。例3-1：如图所示为同相并联结构的ECG前置级实用29共模抑制比课件30同相并联差动结构电路作为生物电放大器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：前置级的设计步骤为：(1)(1)(1)(1)器件选择。通过测量，确定共模抑制比严器件选择。通过测量，确定共模抑制比严器件选择。通过测量，确定共模抑制比严器件选择。通过测量，确定共模抑制比严 格对称的格对称的格对称的格对称的A A A A1 1 1 1、A A A A2 2 2 2（通常相差不应超过（通常相差不应超过（通常相差不应超过（通常相差不应超过 0 0 0 05dB5dB5dB5dB）和高共模抑制比参数的）和高共模抑制比参数的）和高共模抑制比参数的）和高共模抑制比参数的A A A A3 3 3 3（通常（通常（通常（通常 大于大于大于大于100dB100dB100dB100dB）。）。）。）。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：(31(2)(2)(2)(2)在影响共模抑制能力的诸因素中，第二级差在影响共模抑制能力的诸因素中，第二级差在影响共模抑制能力的诸因素中，第二级差在影响共模抑制能力的诸因素中，第二级差 动放大电路中电阻的匹配精度是主要的。通动放大电路中电阻的匹配精度是主要的。通动放大电路中电阻的匹配精度是主要的。通动放大电路中电阻的匹配精度是主要的。通 常用精密电桥选择高精度、高稳定性电阻，常用精密电桥选择高精度、高稳定性电阻，常用精密电桥选择高精度、高稳定性电阻，常用精密电桥选择高精度、高稳定性电阻，确定确定确定确定R R R R1 1 1 1，再由，再由，再由，再由A A A Ad2d2d2d2 的设计值确定的设计值确定的设计值确定的设计值确定R R R RF F F F(下支路下支路下支路下支路 的的的的R R R RF F F F选电位器选电位器选电位器选电位器)。(2)在影响共模抑制能力的诸因素中，第二级差32(3)(3)(3)(3)前置级增益以及组成前置级的两级放大电路前置级增益以及组成前置级的两级放大电路前置级增益以及组成前置级的两级放大电路前置级增益以及组成前置级的两级放大电路 的增益分配，都影响总的的增益分配，都影响总的的增益分配，都影响总的的增益分配，都影响总的CMRRCMRRCMRRCMRR值。在前置级值。在前置级值。在前置级值。在前置级 增益确定之后，增益确定之后，增益确定之后，增益确定之后，A A A Ad1d1d1d1、A A A Ad2d2d2d2互相制约。但是互相制约。但是互相制约。但是互相制约。但是 A A A Ad1d1d1d1 值取得较高一些，是有利于总的共模抑值取得较高一些，是有利于总的共模抑值取得较高一些，是有利于总的共模抑值取得较高一些，是有利于总的共模抑 制能力的提高的。制能力的提高的。制能力的提高的。制能力的提高的。(3)前置级增益以及组成前置级的两级放大电路33（二）同相串联结构的前置放大电路（二）同相串联结构的前置放大电路（二）同相串联结构的前置放大电路（二）同相串联结构的前置放大电路 特点：特点：少用个运放。差动信少用个运放。差动信号均由同相端进入，号均由同相端进入，A A1 1的输的输出出u uo1o1和和u ui2i2一起送入，从一起送入，从A A2 2获获得单端输出，故称串联结构。得单端输出，故称串联结构。可可见，共模抑制能力的提高，取决于器件，共模抑制能力的提高，取决于器件A A1 1、A A2 2本身的共摸抑本身的共摸抑制比是否相等，并且受外回路制比是否相等，并且受外回路电阻的匹配精度的影响。阻的匹配精度的影响。前者易前者易实现，故放大，故放大电路的路的CMRRCMRR取决于取决于电阻的匹配精度。阻的匹配精度。（二）同相串联结构的前置放大电路34缓冲级与差动放大器构成的前置级缓冲级与差动放大器构成的前置级 提高放大提高放大电路的共模抑制能力的措施仍然是使路的共模抑制能力的措施仍然是使A A1 1、A A2 2的的共模抑制比相等，并尽可能提高差共模抑制比相等，并尽可能提高差动级的的电阻匹配精度。阻匹配精度。缓冲级与差动放大器构成的前置级提高放大电路的共模抑35（三）由专用仪器放大器构成的前置放大器（三）由专用仪器放大器构成的前置放大器（三）由专用仪器放大器构成的前置放大器（三）由专用仪器放大器构成的前置放大器AD620AD620为一个低成本、低功耗、高精度的单为一个低成本、低功耗、高精度的单片仪器放大器。片仪器放大器。AD620AD620的性能比传统的三运算放大器优越。的性能比传统的三运算放大器优越。特点：特点：1.1.只用一个外部电阻就能设置放大倍数只用一个外部电阻就能设置放大倍数 为为1 110001000；2.2.电源范围宽电源范围宽(2.3(2.318V)18V)；3.3.体积小；体积小；4.4.功耗非常低功耗非常低(最大供电电流仅最大供电电流仅1.3mA)1.3mA)；适用于低电压、低功耗的应用场合。适用于低电压、低功耗的应用场合。AD620外形图外形图（三）由专用仪器放大器构成的前置放大器AD620为一个低成本36AD620内部原理图内部原理图为保证增益控制的高精度，输入端三极管用差分双极输入；为保证增益控制的高精度，输入端三极管用差分双极输入；用超用超工艺获得更低的输入偏置电流；通过输入级内部工艺获得更低的输入偏置电流；通过输入级内部Q1-A1-R1和和Q2-A2-R2反馈环路反馈环路,保持输入三极管的集电极电流恒定，保持输入三极管的集电极电流恒定，所以输入电压相当于加到外部增益控制电阻所以输入电压相当于加到外部增益控制电阻RG两端上；两个内两端上；两个内部增益电阻部增益电阻R1、R2精确定为精确定为24.7k。AD620内部原理图为保证增益控制的高精度，输37增益：增益：外部控制外部控制电阻阻值为：由由增益：外部控制电阻值为：由38主要技术参数：主要技术参数：1.1.输入阻抗输入阻抗 （input impedanceinput impedance）；）；2.2.共模抑制比（共模抑制比（common mode rejection ratiocommon mode rejection ratio，CMRR CMRR）；）；3.3.偏置电流偏置电流(bias current)(bias current)；4.4.输入失调电压输入失调电压(input offset voltage)(input offset voltage)；5.5.输入噪声（输入噪声（input noiseinput noise）。）。主要技术参数：39（1）输入阻抗入阻抗室温25时的差模输入阻抗。动态情况下，两个输入端间有并联的电容值。该参数为10G/2PF。（2）共模抑制比（）共模抑制比（CMRR）通常取平均值，温度变化有差异。通常指低频条件。若频率增高，CMRR值有所减小。在放大增益不同，CMRR值也不同。（1）输入阻抗40（3）偏置）偏置电流（流（bias current）两两输入端到地有一个小的偏置入端到地有一个小的偏置电流（直流），流（直流），AD620该参数参数为0.5nA，最大，最大为2nA。（4）输入失入失调电压（input offset voltage）一般两个一般两个输入端入端电压差差为零（两零（两输入端短接地）入端短接地）时，其，其输出出都不都不为零。如果在任意一个零。如果在任意一个输入端加上一个大小和方向合适的入端加上一个大小和方向合适的直流直流电压，便可人，便可人为地使地使输出出为零，零，这个外加的直流个外加的直流电压即运即运放的失放的失调电压。AD620的最大的最大值可达可达125V。（5）输入噪声入噪声输入噪声分入噪声分电压噪声和噪声和电流噪声。低流噪声。低频范范围（生理信号）的（生理信号）的1/f1/f噪声，会引起运放工作点漂移；噪声，会引起运放工作点漂移；电阻、半阻、半导体体结间噪声受噪声受温度、温度、频率影响。率影响。频率频率1kHz1kHz时输入电压噪声为时输入电压噪声为9 9 ；0.10.110Hz10Hz频段输入电流噪声为频段输入电流噪声为10PA10PAp pp p （3）偏置电流（biascurrent）41（四）（四）AD620构成的常用生理参数前置放大电路构成的常用生理参数前置放大电路 常用于传感器接口、心电图监测仪、精密电压电流转换常用于传感器接口、心电图监测仪、精密电压电流转换 1.压力传感器电路压力传感器电路 高电阻值高电阻值,低电源电、体积小、低功耗压力传感器电路低电源电、体积小、低功耗压力传感器电路 压力检测电路压力检测电路3k、+5V供电的压力传感器电桥；电桥功耗仅供电的压力传感器电桥；电桥功耗仅1.7mA,AD620和和AD705缓冲电压驱动器对信号调节缓冲电压驱动器对信号调节,使总供电电流仅为使总供电电流仅为3.8mA；电路产生；电路产生的噪声和漂移极低。的噪声和漂移极低。（四）AD620构成的常用生理参数前置放大电路压力检测电路42四、前置四、前置级共模抑制能力的提高共模抑制能力的提高方法：方法：1.正确正确设计电路参数；路参数；2.改改进电路。路。（一）屏蔽（一）屏蔽驱动 ECG导联引线芯线和电缆屏蔽层（接地时），对放大器导联引线芯线和电缆屏蔽层（接地时），对放大器输入端的分布电容输入端的分布电容为为C1C1，C2C2。C1 C1，C2C2不不等，电极阻抗等，电极阻抗RS不平衡，则不平衡，则R Rs1s1C C1 1 R Rs2s2C C2 2,使共使共模电压不等量衰减，放大器模电压不等量衰减，放大器CMRR下降。下降。四、前置级共模抑制能力的提高43问问 题：题：输入端的共模电压产生共模误差输出。输入端的共模电压产生共模误差输出。解决思路：解决思路：使屏蔽层电容不起衰减作用。使屏蔽层电容不起衰减作用。办办 法：法：导联线的屏蔽层不接地，接到与共模输入信导联线的屏蔽层不接地，接到与共模输入信 号等电位点上，共模电压不衰减地送到差动号等电位点上，共模电压不衰减地送到差动 放大器输入端，不会产生共模量不等量衰减放大器输入端，不会产生共模量不等量衰减 形成共模误差。形成共模误差。问题：输入端的共模电压产生共模误差输出。解44（1）取放大）取放大电路的共模路的共模电压驱动屏屏蔽蔽层，使分布，使分布电容容C1、C2的端的端电压保持不保持不变。（2）A1、A2构成构成缓冲冲级，其，其输出分出分别为：电阻网络电阻网络R-R接接A1、A2的输出端，的输出端，在网络的中点取出在网络的中点取出A1、A2输出电压输出电压的平均值的平均值Uic，经缓冲放大器，经缓冲放大器A3驱动驱动屏蔽层，消除由屏蔽层，消除由C1、C2引起的不均引起的不均衡衰减。衡衰减。、屏蔽驱动电路屏蔽驱动电路（1）取放大电路的共模电压驱动屏蔽层，使分布电容C1、C2的45实际应用电路实际应用电路(三三)右腿驱动技术右腿驱动技术 右腿不直接接地，接到右腿不直接接地，接到A3的输出。从两的输出。从两Ra结点取共模电结点取共模电压，经压，经A3放大后通过放大后通过R0电阻反馈到右腿。人体的位移电流这时电阻反馈到右腿。人体的位移电流这时不再流入地，而是流向不再流入地，而是流向R0和和A3的输出。当病人和地之间出现很的输出。当病人和地之间出现很高电压时，高电压时，A3饱和，右腿驱动电路不起作用，饱和，右腿驱动电路不起作用，A3等效于接地，等效于接地，R0起限流保护，安全保护。起限流保护，安全保护。实际应用电路46A3不不饱和和时的共模的共模电压。反相端。反相端输入入为：讨论：（1）要小，可增大）要小，可增大2RF/Ra（2）Vcm大大时，R0必必须起保起保护作作 用，其用，其值较大。大。故故A3要求能要求能 在微在微电流下工作，流下工作，则RF可可选较 大大值。例：如果选例：如果选RF=R05M，Ra典型值为典型值为25k，则等效电阻为，则等效电阻为12.5k。若位。若位移电流移电流 =0.2A，则：，则：A3不饱和时的共模电压。反相端输入为：讨论：例：如果选RF=47由由AD620构成的构成的实际心心电监测电路路共模抑制比课件48第二节第二节 隔离级设计隔离级设计 为了人体安全的目的，通常生物电信号测量技术为了人体安全的目的，通常生物电信号测量技术采用浮地形式，以便实现人体与电气上的隔离。采用浮地形式，以便实现人体与电气上的隔离。第二节隔离级设计为了人体安全的目的，通49浮地概念浮地概念所谓浮地（或浮置），即信号在传递的过程中，不是利用一个公共的接地点逐级地往下面传送（如阻容耦合、直接耦合等），而是利用诸如电磁耦合或光电耦合等隔离技术，信号从浮地部分传递到接地部分，两部分之间没有电路上的直接联系。浮地概念所谓浮地（或浮置），即信号在传递的过程中，不是利用一50一、光电耦合一、光电耦合光电二极管耦合光电二极管耦合 光电晶体管耦合光电晶体管耦合一、光电耦合光电二极管耦合51光电晶体管转移特性光电晶体管转移特性用于模拟信号的耦合转换，要求光电耦合器有很用于模拟信号的耦合转换，要求光电耦合器有很好的线性特性好的线性特性 光电晶体管转移特性用于模拟信号的耦合转换，要求光电耦合器有很52ECG-6511ECG-6511前置放大光电耦合级电路前置放大光电耦合级电路发光二极管发光二极管DA有电流通过发光时，有电流通过发光时，DB、DC中产生反向电流中产生反向电流ECG-6511前置放大光电耦合级电路发光二极管DA有电流53A1为耦合耦合驱动级，在，在输入信号入信号为零的初始状零的初始状态，Ii0，A 点点为虚地点，虚地点，B点呈点呈负电位，有：位，有：静态：静态：47k 上的电流上的电流I恒定，从恒定，从A点流出，电容点流出，电容C以以IC充电，充电，C点电点电位升高，位升高，VA导通，产生导通，产生IDA，发光二极管发光二极管DA发光，光电池发光，光电池DB产生反向电流产生反向电流IDB 流入流入A点，当点，当IDBI时，电容时，电容C的充电电流为的充电电流为0，C点电位恒定，发光二极管点电位恒定，发光二极管DA和光电池和光电池DB中的电流达一稳中的电流达一稳定值定值IDA0、IDB0；同理，同理，IDA0使使IDC0有有IDC0=I，调整，调整50k 电位器，使电位器，使U0确定静态确定静态值。值。A1为耦合驱动级，在输入信号为零的初始状态，Ii0，A点54动态：输入入Ui0，有，有Ii注入注入A点，致点，致Uc下降，使下降，使IDA减小，减小，DA光光强强变弱，弱，继而而 减低。减低。当当 ，Ic0（C反向充反向充电结束）。此束）。此时：输出出为：输入入为：光光电耦合耦合电压转换比率比率为：结论：转移移过程的程的线性度取决于光性度取决于光电器件器件DA、DB、DC的特性，尤其是的特性，尤其是DB和和DC的的对称性。称性。为了提高了提高线性度，性度，DB和和DC的偏置的偏置电路参数也路参数也应保持保持对称。称。动态：当，Ic0（C反55互补方式光电耦合电路互补方式光电耦合电路优点：通过选择芯片的对称性，提高电路的线性度。优点：通过选择芯片的对称性，提高电路的线性度。互补方式光电耦合电路优点：通过选择芯片的对称性，提高电路的56光光电晶体管耦合器晶体管耦合器T117，两个光，两个光电耦合器耦合器PH1和和PH2对称性好，称性好，电流流转移系数分移系数分别是是 1和和 2。运放。运放A1、A2工作在工作在线性状性状态。A1通通过PH1形成形成负反反馈。静静态时：Ii I1，电容容C中的中的电流流为0，当信号，当信号ui 到达平衡到达平衡时：耦合耦合输出出级A2有：有：输出：出：由于由于 1=2，所以：，所以：R3和和C改善改善电路的路的稳定性和定性和频率特性率特性HP1工作速度工作速度远低于低于A1，A1进入工作的瞬入工作的瞬间，由，由HP1形成的形成的负反反馈环路路是断开的，来不及建立是断开的，来不及建立负反反馈，使，使A1输出出电压过冲。引入冲。引入R3后，反后，反馈系数系数变小，增加小，增加电路的路的稳定性。定性。电容容C为A1提供快速反提供快速反馈环节。RF/Ri为电压转换率为电压转换率光电晶体管耦合器T117，两个光电耦合器PH1和PH2对57数字信号的光电耦合数字信号的光电耦合AD转换后，对每一位数字信号分别用一个光电耦合器件。转换后，对每一位数字信号分别用一个光电耦合器件。u单级耦合电路单级耦合电路 数字信号光电耦合数字信号光电耦合单级光电耦合单级光电耦合浮地电源通过浮地电源通过R为发光二极管提供静态工作电流，使之工作在线性区。为发光二极管提供静态工作电流，使之工作在线性区。光电三极管中的信号电流经光电三极管中的信号电流经RL 送入送入A2。耦合级工作速度：耦合级工作速度：由由RL与耦合器结电容的时间常数与耦合器结电容的时间常数 p决定决定。数字信号的光电耦合数字信号光电耦合单级光电耦合浮地电源通58内部带有光电隔离的仪用放大器内部带有光电隔离的仪用放大器用匹配的光敏二极管用匹配的光敏二极管CR3CR3和和CR2CR2，大大减小非，大大减小非线性和性和时间-温度的漂移。温度的漂移。运放运放A1A1，发光二极管光二极管CR1CR1和光敏二极管和光敏二极管CR3CR3形成形成负反反馈，使，使I I1 1=I=IININ。因。因CRCR2 2和和CRCR3 3严格匹配，从格匹配，从CRCR1 1接受的光接受的光强强相等相等，I I2 2=I=I1 1=I=IININA A2 2完成完成电流流-电压转换，V VOUTOUT=I=I2 2R Rk k总的的传输函数函数为：内部带有光电隔离的仪用放大器用匹配的光敏二极管CR3和CR59集成光电隔离仪用放大器在生理参数测量中的应用集成光电隔离仪用放大器在生理参数测量中的应用电源采用电源采用DC/DC隔离隔离隔离耐压值：隔离耐压值：3kV表示放大器每个输入端和输入地之间应能经受幅度表示放大器每个输入端和输入地之间应能经受幅度3kV、宽度宽度10ms脉冲电压的测试；两个输入端之间能经受幅度脉冲电压的测试；两个输入端之间能经受幅度6kV、宽度、宽度10ms脉脉冲电压的测试；隔离栅应能经受峰冲电压的测试；隔离栅应能经受峰-峰值峰值5000V连续高压的测试连续高压的测试。集成光电隔离仪用放大器在生理参数测量中的应用电源采用DC/60二、电磁耦合二、电磁耦合变压器不能传递低频、直流信号，故先通过调制电路，把低频信号调变压器不能传递低频、直流信号，故先通过调制电路，把低频信号调制在高频载波上，经过变压器耦合，再解调，恢复生物信号。制在高频载波上，经过变压器耦合，再解调，恢复生物信号。浮地放大器的直流电源由载波发生器（几十浮地放大器的直流电源由载波发生器（几十kHz-100kHz）、隔离变）、隔离变压器隔离，通过整流滤波获得。压器隔离，通过整流滤波获得。调制器的激励源亦经隔离变压器从载波发生器得到。调制器的激励源亦经隔离变压器从载波发生器得到。二、电磁耦合变压器不能传递低频、直流信号，故先通过调制电路，61第三节生理放大器滤波电路设计第三节生理放大器滤波电路设计 在生物医学信号处理中，滤波电路常用由集成运算放大器在生物医学信号处理中，滤波电路常用由集成运算放大器和和RC网络组成的有源滤波器网络组成的有源滤波器 一、有源滤波器的设计方法一、有源滤波器的设计方法二、有源带阻滤波器的设计二、有源带阻滤波器的设计 带阻滤波器又称陷波器（带阻滤波器又称陷波器（notch filter），用于滤除通），用于滤除通带中某一频段的频率成分。带中某一频段的频率成分。用用B表示阻带宽度，用表示阻带宽度，用Q表示品质因数，分别用来表征表示品质因数，分别用来表征带阻滤波器的频率抑制或选频特性。带阻滤波器的频率抑制或选频特性。第三节生理放大器滤波电路设计在生物医学信号处62图3.25双T型有源陷波器（a）基本电路（b）频率响应（1）双）双T陷波器陷波器：双双T网网络之前加一之前加一级缓冲冲电路，之后接一路，之后接一级运放，构成有源运放，构成有源双双T陷波器。陷波器。双双T有源陷波器的有源陷波器的带阻特性主要取决于两支路的阻特性主要取决于两支路的R、C对称程称程度，使陷波点度，使陷波点频率率f0处的信号相互抵消，衰减到零。的信号相互抵消，衰减到零。图3.25双T型有源陷波器（a）基本电路（b）频率响应（63（2）文氏桥式陷波器）文氏桥式陷波器电桥的元件参数关系的元件参数关系为：R1=2R2，C1=C2=C，R3=R4=R此此时电桥的抑制的抑制频率率为：因因为R1=2R2，对任一任一频率信号，率信号，UAD=Ui/3，当，当输入信号入信号频率率f=f0时，UBD=Ui/3，则UAB=0，则电桥处于平衡状于平衡状态。文氏桥陷波器电路文氏桥陷波器电路（2）文氏桥式陷波器电桥的元件参数关系为：64 文氏桥无源滤波器的频率选择性很差，需在文氏文氏桥无源滤波器的频率选择性很差，需在文氏电桥电路后加接运算放大器组成有源陷波器。电桥电路后加接运算放大器组成有源陷波器。文氏桥无源滤波器的频率选择性很差，需在文氏电65