第三生物医学常用放大器课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,第三生物医学常用放大器,第三生物医学常用放大器,1,优选第三生物医学常用放大器,优选第三生物医学常用放大器,2,第一节 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。其中生物电信号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。非生物电信号是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被统称为生物医学信号。,第一节 生物医学信号的特点及频谱 携带生物信息的信号,3,第三生物医学常用放大器课件,4,生物电信号的频带主要在低频和超低频范围内，,各种生物电中包含了频率很低的成分。在第二章中介绍的阻容耦合多级放大器很难通过这种频率的信号，所以本章将介绍适应这种频率特点的直流放大器。,通常生物电信号的幅度较低，只有毫伏级甚至微伏级，而普通的电子元件的噪声相当于数微伏无规则电压，为了使生物电信号不被噪声淹没，放大器的前级必须选用高质量的电阻和电容，低噪声的场效应管，电源也要采取特殊稳定的措施。,一,.,生物电信号的特点及其放大器,生物电信号的频带主要在低频和超低频范围,5,另外生物电信号的整个频带中要求放大器的放大倍数稳定、均匀，在信号幅度范围内具有良好的线性。对于生物电放大器来讲，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。为了使输出波形不失真，必须采取一定的电路技术，如负反馈放大技术。,另外生物电信号的整个频带中要求放大器的放,6,生物体的阻抗很高，这意味着生物信号源不仅输出电压幅度低，而且提供电流的能力也很差，因此要求生物电放大器的前级必须具有很高的输入阻抗，以防止生物电信号的衰减，但高输入阻抗易引入外界干扰，特别是市电,50Hz,的干扰，为了提高放大器输入信噪比，常常加入,50Hz,陷波器。,生物体的阻抗很高，这意味着生物信号源不仅,7,生物电信号的信噪比较低，这是由于生物体内各种无规律的电活动在生物电信号中形成噪声，有些生物电信号被其他更强的电活动所淹没，如希氏束电图H波，只有110,V，比心电信号弱得多，再有胎儿心电信号的幅度约为5V，比母体心电信号弱很多，使噪声电压超出生物电信号电压。当无用信号掩盖了有用信号时，提取这些电信号就需要借助于微弱信号检测技术。,生物电信号的信噪比较低，这是由于生物体,8,当由两管集电极输出时，即取差输出，理想情况下，两路的共模信号电压相同，经过取差，输出电压为零，即没有输出。,负反馈对放大器性能的改善,频谱的横坐标按照f划分，频率以1/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1/ 成正比。,因为作为信号源的生物体内阻很高，与生物体相连的放大器必须有高输入电阻，才能减少信号电压的损失，进而提高信噪比。,信号输入中的低频成分可以从上通道(既低通滤波器)传输，而高频成分可以从下通道(即高通滤波器)传输，而对于信号中的中间频率成分，上下两通道均可以通过，其中通过低通滤波器传输出来的电压位相落后，通过高通滤波器传输出来的电压位相超前，它们再分别经过电阻和电容两路传输出来的，电压位相差更大，,因为差动放大器的放大倍数Kd定义为uoduid，故可得,当输入信号为正极性时，基极电势升高，基极电流和射极电流都增加。,其电压传输系数如图38所示。,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。,电压并联负反馈与电压串联负反馈一样都能使放大器的输出电阻减小。,式中Af和f分别为振幅和位相频谱。,(4)在阻容耦合放大器中，级间用RC电路耦合信号从电阻两端输出，同时也起到高通滤波的作用。,这样可以使负反馈放大器的放大倍数在很宽的频率范围内都与频率无关。,信号从两管基极输入(称双端输入)，从两管的集电极输出(称双端输出)，而且对输入信号的要求是两个基极输入信号大小相等，位相相反，称差模输入。,如上图所示，也可以解释为负反馈技术是利用失真了的波形来改善波形的失真。,晶体管常常工作在极限状态下，如输出电流、功耗等可达到晶体管的相应的极限值，所以要注意功率管的散热和过电流、过电压保护等问题。,这样可以使负反馈放大器的放大倍数在很宽的频率范围内都与频率无关。,解决的方法可以采用其一，另外加一个电源，以供给最后一级的输出电流。,总之，为适应生物医学信号频率较低且频带较宽、阻抗较高且幅度较低和信噪比较小的特点，必须选用低截止频率、高输入阻抗和放大倍数稳定的放大器。,当由两管集电极输出时，即取差输出，理想情况下，两路的共模信号,9,二,.,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，幅度不同、频率不同、初位相不同的正弦波。,二. 生物医学信号的频谱 实际的信号波形是,10,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。用数学表达为,式中当n=1时，fn为f1，是非正弦式周期波的重复频率，称为基频。此频率的正弦波称为基波，其它正弦波的频率fn都是基频的整数倍，称为n倍频，相应的正弦波为n次谐波。,周期性波形的频谱,11,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引出垂线，其长度表示相应的振幅,a,n,，这种图称为振幅频谱，也常简称为频谱,(spectrum),。而,a,n,2,组成功率频谱，简称为功率谱。各种频率成分的初位相声。组成的位相谱，称为位相频谱。,以频率为横轴，振幅为纵轴，在横轴,12,基波和二次谐波的振幅相同，初位相为零。,基波和二次谐波的振幅相同，但二次谐波的初位相为,/2,。从下面的位相频谱图中可以看到。,基波和二次谐波的振幅相同，初位相为零。基波和二次谐波的振幅相,13,2. 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(impulse)。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。连续频谱的波形叠加用积分式表达为,式中Af和f分别为振幅和位相频谱。,2. 脉冲波形的频谱,14,矩形脉冲的宽度为,，高度为,1,，面积为,1,。波形的中点在时间坐标,t,的零点。,频谱的横坐标按照,f,划分，频率以,1/,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,1/,成正比。,矩形脉冲的宽度为 ，高度为1，面积为1,15,从下面的位相频谱图中可以看到。,后级发射极接二极管或稳压二极管,其二是增加低通滤波器，称之为电源退耦电路，滤掉电源电压波动。,晶体管常常工作在极限状态下，如输出电流、功耗等可达到晶体管的相应的极限值，所以要注意功率管的散热和过电流、过电压保护等问题。,使放大倍数更稳定，通频带加宽，放大器非线性失真变小，同时也改变了输入电阻和输出电阻。,(2) 当Q值高时，此电路称为选频电路，其选频本领大，只允许较窄频率范围的信号通过，称窄带滤波 。,此频率的正弦波称为基波，其它正弦波的频率fn都是基频的整数倍，称为n倍频，相应的正弦波为n次谐波。,只要电阻选择合适，各级都可以有适当工作点，但信号经分压传输会造成一些损失。,其电路由高通滤波和低通滤波共同组合而成，频率特性如图所示，fHfL为其通频带的范围。,生物电信号的信噪比较低，这是由于生物体内各种无规律的电活动在生物电信号中形成噪声，有些生物电信号被其他更强的电活动所淹没，如希氏束电图H波，只有110V，比心电信号弱得多，再有胎儿心电信号的幅度约为5V，比母体心电信号弱很多，使噪声电压超出生物电信号电压。,除此之外，rbe还随电流变化，比较gF和g0可见，虽然gF小些。,对于生物电放大器来讲，电压放大倍数一般都较高。,非生物电信号是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。,把原先脉冲的频谱对称地向负频率侧延伸，然后向右移动f0的距离，就得到。,(1) 当Q值低时，此电路的选频本领小，允许较宽的频带范围的生物医学信号通过，称宽带滤波。,各种频率成分的初位相声。,信号从两管基极输入(称双端输入)，从两管的集电极输出(称双端输出)，而且对输入信号的要求是两个基极输入信号大小相等，位相相反，称差模输入。,中间频率即陷波频率f0和Q值，经理论证明分别由上式给出。,其功率放大器的原理与电压放大器完全相同。,这种功率放大器的最大优点是效率高，因为在晶体管截止时没有电流，消耗在晶体管和电阻上的功率明显的减少，为了弥补乙类功率放大器的不足，采用了下面这种功率放大器。,钟罩形波， 为波形下降到最大值的0.6065所需时间，1/(2,f)为脉冲的高度，面积为1。它的频谱很平滑。,从下面的位相频谱图中可以看到。 钟罩形,16,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。,如人体动脉压力波形比较平滑，根据频谱分析大约含有10个谐波，而心电波形，因它含有比较陡的R波，故大约含有3060个谐波。,由这两个脉冲的频谱图可见脉冲愈宽，愈平滑,17,高频脉冲即振幅随一个脉冲波形变化的高频振荡。图(a)表示振幅随一脉冲波形变化的高频振荡，图(b)是它的频谱，可以从原先脉冲的频谱得到。把原先脉冲的频谱对称地向负频率侧延伸，然后向右移动f0的距离，就得到。,可见，高频脉冲的频谱形状是由脉冲频谱决定的，高频脉冲的频谱位置是高频振荡频率来决定。,高频脉冲即振幅随一个脉冲波形变化的高,18,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，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。,在对生物体的一切生物医学信号进行分析时，,19,第二节 常用滤波电路,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入干扰的具体情况，一般在放大器等处理装置前加有滤波器。,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。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。,第二节 常用滤波电路 根据生物医学信号,20,在滤波理论中，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把消除或衰减的信号频率范围定义为阻带。通带和阻带的界限频率，包括下限频率和上限频率。,具体电路有高通和低通滤波，带通和带阻滤波，双,T,滤波和,50Hz,陷波等。,在滤波理论中，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把消,21,一,.,高通滤波,高通滤波只允许信号中高频成分顺利通过，且衰减很小，而消除或减弱低频噪声。电压传输函数为,一. 高通滤波 高通滤波只允许信号中高频,22,式中，U,Rf,是,u,R,中频率为f的交流成分的有效值，U,f,是电路中频率为f的总电压的有效值。,输出电压U,Rf,比总电压有效值U,f,超前一位相,R,。,式中，URf是uR中频率为f的交流成分,23,滤波特点,(1)当频率很低时，f 1，Tf=1，高频成分能顺利通过，且位相也不改变。,(3) fL=1/ 2RC为下限频率，通频带为fL。,(4)在阻容耦合放大器中，级间用RC电路耦合信号从电阻两端输出，同时也起到高通滤波的作用。,滤波特点,24,二,.,低通滤波器,与高通滤波器相反的低通滤波器，只允许信号中的低频成分顺利通过，且衰减很小，进而达到消除或减弱混在信号中的高频噪声的目的。其电路的电压传输函数为,二. 低通滤波器 与高通滤波器相反的低通滤波器，只允,25,式中，U,Cf,是,u,C,中频率为f的交流成分的有效值，U,f,是电路中频率为f的总电压的有效值。,输出电压U,Cf,比总电压有效值U,f,超落后一位相,c,。,式中，UCf是uC中频率为f的交流成分的,26,滤波特点,(1)当频率很低时，f/fH1，Tf=0，高频成分被衰减，有低通的作用。,(3) fH=1/ 2RC为上限频率，通频带为0fH。,(4)共发射极电路中的电流放大系数随频率变化的关系式表明，晶体管也有低通滤波的作用。,滤波特点,27,三,.,带通滤波,带通滤波器就是只允许通过一个频带中的信号成分，在这个频带之外的信号成分则被衰减。其电路由高通滤波和低通滤波共同组合而成，频率特性如图所示，fHfL为其通频带的范围。,电路的重要参数是品质因数Q，定义为,三. 带通滤波 带通滤波器就是只允许通过,28,带阻滤波只选择性的衰减一个频带内的信号，而在这个频带范围之外的信号成分都可无衰减的通过。,对于生物电放大器来讲，电压放大倍数一般都较高。,共模抑制比CMRR也常用分贝表示，规定为20lgKdKC。,信号输入中的低频成分可以从上通道(既低通滤波器)传输，而高频成分可以从下通道(即高通滤波器)传输，而对于信号中的中间频率成分，上下两通道均可以通过，其中通过低通滤波器传输出来的电压位相落后，通过高通滤波器传输出来的电压位相超前，它们再分别经过电阻和电容两路传输出来的，电压位相差更大，,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。,具体电路有高通和低通滤波，带通和带阻滤波，双T滤波和50Hz陷波等。,对于生物电放大器来讲，电压放大倍数一般都较高。,对于生物电放大器来讲，电压放大倍数一般都较高。,从下面的位相频谱图中可以看到。,高Q值带阻滤波器，称选频电路，也称陷波器。,式中Af和f分别为振幅和位相频谱。,反馈(feedback)就是把一个系统的全部或部分输出信号通过某种环节，送回到输入端。,射极跟随器的输出电阻很小，所以说电压负反馈使放大器的输出电阻减小。,故称RF引出的反馈属于电压并联负反馈。,故称RF引出的反馈属于电压并联负反馈。,这种功率放大器的最大优点是效率高，因为在晶体管截止时没有电流，消耗在晶体管和电阻上的功率明显的减少，为了弥补乙类功率放大器的不足，采用了下面这种功率放大器。,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引出垂线，其长度表示相应的振幅an，这种图称为振幅频谱，也常简称为频谱(spectrum)。,具体电路有高通和低通滤波，带通和带阻滤波，双T滤波和50Hz陷波等。,这是因为电路中两侧晶体管的参数，以及电路相对应的电阻不完全一致。,上述方法解决了级间电位的耦合问题。,射极跟随器的输出电阻很小，所以说电压负反馈使放大器的输出电阻减小。,(1),当,Q,值低时，此电路的选频本领小，允许较宽的频带范围的生物医学信号通过，称宽带滤波。,对于生物医学放大器中经常遇到数十千赫以下的低频信号，电阻和电容就可以组成带通滤波器，最简单的低频宽带,(,低,Q,值,),滤波器可由高通和低通滤波器共同组合而成，其允许通过的频带由,f,L,和,f,H,决定。,带阻滤波只选择性的衰减一个频带内的信号，而在这个频带范围之外,29,(2),当,Q,值高时，此电路称为选频电路，其选频本领大，只允许较窄频率范围的信号通过，称窄带滤波 。,对于数兆赫以上高频信号，只有用电阻、电容和电感结合起来才能组成高频窄带,(,高,Q,值,),滤波器，而对低频生物医学信号只有电阻、电容和放大器结合起来，才能组成低频窄带,(,高,Q,值,),的滤波器。,(2) 当Q值高时，此电路称为选频电路，其选频本领大，只允许,30,四,.,带阻滤波,带阻滤波只选择性的衰减一个频带内的信号，而在这个频带范围之外的信号成分都可无衰减的通过。其电压传输系数如图38所示。,四. 带阻滤波 带阻滤波只选择性的衰减,31,高,Q,值带阻滤波器，称选频电路，也称陷波器。,双,T,选频电路，由高通滤波和低通滤波组合而成的。信号输入中的低频成分可以从上通道,(,既低通滤波器,),传输，而高频成分可以从下通道,(,即高通滤波器,),传输，而对于信号中的中间频率成分，上下两通道均可以通过，其中通过低通滤波器传输出来的电压位相落后，通过高通滤波器传输出来的电压位相超前，它们再分别经过电阻和电容两路传输出来的，电压位相差更大，,在某个适当的中间频率下，两路输出电压幅度相等，且位相相反，输出总电压为零，起到了使这个中间频率的信号被衰减的作用，即有陷波作用。,高Q值带阻滤波器，称选频电路，也称陷,32,中间频率即陷波频率,f,0,和,Q,值，经理论证明分别由上式给出。,中间频率不受负载影响。当接上负载后，,Q,值一般比输出端开路时要低。另外，由于电阻和电容总有些误差，各个电阻和电容不能严格保持图中标示的比值,(,或等值,),，在中间频率处的传输系数将不等于零。因而品质因数也低于理论值。,中间频率即陷波频率f0和Q值，经理论证,33,这个电路在生物医学放大器中，常将,f,0,选为,50Hz,，用来滤掉,50Hz,的市电干扰，称,50Hz,陷波器。,实际应用中希望,Q,值很高，只对,50Hz,波有陷波作用，但上面电路的品质因数太小，很难达到要求。只有与放大器组合起来，才能提高选频能力，即达到高,Q,值，这种高,Q,值的滤波器称为有源滤波。以上滤波器均为无源滤波器。,这个电路在生物医学放大器中，常将f0选为,34,第三节 负反馈放大器,一.反馈的基本概念和分类,反馈(feedback)就是把一个系统的全部或部分输出信号通过某种环节，送回到输入端。,在电子学中反馈一般是通过跨接在输入端和输出端之间的性能比较稳定的线性元件，如电阻来完成。,将放大器的输出电压或输出电流的一部分或全部送回到输入端，与输入信号叠加后再送入放大器中，如图310所示。,第三节 负反馈放大器一.反馈的基本概念和分类,35,图中,u,i,为输入信号，,u,o,为输出信号，,u,f,为反馈信号，,K,0,为放大器的放大倍数，,F,为反馈系数,(feedback coefficient),，它等于反馈信号与输出信号之比，即,F=u,f,/u,o,，,u,i,为,u,i,与,u,f,合成之后的实际输入信号。,图中ui为输入信号，uo为输出信号，u,36,从反馈信号与原输入信号的相位关系来看当反馈信号与原输入信号同相位时，即加强了输入信号，使放大倍数提高，这种反馈称为正反馈(positive feedback)。反之，当反馈信号与原信号反相位时，即减弱了输入信号，称负反馈(negative feedback)。,正反馈虽然可以提高放大倍数，但失真度大，频带变窄，严重的甚至会引起振荡，使放大器无法工作，所以在放大器中一般不采用正反馈，而在振荡器中则需要利用正反馈。,从反馈信号与原输入信号的相位关系来看当,37,关于负反馈的方式，从反馈信号与输出电压或输出电流成正比的关系来看当反馈信号与输出电压的大小成正比时，称电压负反馈；与输出电流大小成正比时，称电流负反馈。,从反馈信号与输入信号的连接方式来看当反馈信号与输入信号是串联在一起控制输入信号电压大小的，称为串联负反馈；与输入信号是并联在一起控制输入信号电流大小的，称为并联负反馈。归纳起来，负反馈共有四种方式，即电流串联负反馈、电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流并联负反馈。,关于负反馈的方式，从反馈信号与输出电压,38,二,.,几种负反馈电路,电流串联负反馈,在分压式电流负反馈偏置电路中，,R,E,对直流起负反馈作用，使直流工作点稳定。,若,R,E,上的电容,C,E,去掉，则,R,E,对交流也有负反馈作用。,二. 几种负反馈电路电流串联负反馈,39,与输出电流大小成正比时，称电流负反馈。,当输入信号为正极性时，基极电势升高，基极电流和射极电流都增加。,(4)在阻容耦合放大器中，级间用RC电路耦合信号从电阻两端输出，同时也起到高通滤波的作用。,如果能控制输入信号使其比较小，失真的可能也就小些，工作点的位置选择范围也可适当放宽一些。,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。,除此之外，rbe还随电流变化，比较gF和g0可见，虽然gF小些。,从下面的位相频谱图中可以看到。,(1)当频率很低时，f/fH1,时，,K,F,=1/F,，这说明在具有深度负反馈时，电压放大倍数,K,F,完全由负反馈电路参数决定，而与晶体管参数无关。由此排除了放大倍数受晶体管参数的分散性、晶体管参数由于长期使用时发生变化而造成的影响。,在具有深度负反馈时，K0F1时，K,54,因负反馈电路通常由电阻组成，所以使放大倍数稳定而且能精确计算和控制，基本不受外界的影响。,如果某些原因使输出信号减小，则反馈信号也减小，使净输入信号增大，通过负反馈对输入端信号进行修正，由此牵制了输出信号的减小，使放大器比较稳定的工作，其中电流负反馈稳定输出电流，电压负反馈稳定输出电压。,因负反馈电路通常由电阻组成，所以使放大倍数稳定而且能精确计算,55,2.,通频带加宽,频带的限制是由于放大器在不同频率上放大倍数发生变化而造成的。而在加入负反馈后，排除了放大倍数与放大器中与频率有关因素的影响。这样可以使负反馈放大器的放大倍数在很宽的频率范围内都与频率无关。放大倍数在很宽的频率范围内是稳定的，所以频带就展宽了。,2. 通频带加宽,56,3.,非线性失真变小,由于晶体管的非线性，如果工作点选择不合适，或输入信号太大，都会造成输出信号失真。如果能控制输入信号使其比较小，失真的可能也就小些，工作点的位置选择范围也可适当放宽一些。加进负反馈，使信号的电压或电流被反馈抵消一部分，达到能控制输入信号并使其比较小的目的，所以可以减少非线性失真。,如上图所示，也可以解释为负反馈技术是利用失真了的波形来改善波形的失真。,3. 非线性失真变小 如上图所示，也可以解释为负,57,1.,串联反馈使电路的输入电阻增大：,2.,并联反馈使电路的输入电阻减小：,3.,电压反馈使电路的输出电阻减小：,4.,综合上面三种负反馈,4.,电流反馈使电路的输出电阻增加：,1. 串联反馈使电路的输入电阻增大：2. 并联反馈使电路的输,58,在实际应用中电阻要产生热噪声，从而降低了放大器的信噪比，所以反馈环节的电阻不宜太大。,在放大电路中还存在着在线路图上看不出来的反馈环节，如电源寄生反馈，它主要是后级的输出电流通过电源，由于电源总有些内阻，当后级的输出电流改变时，使电源电压也随之改变，这个改变量作用到前级上，导致反馈，且常常成为正反馈。这种寄生反馈不仅影响放大器性能，而且当正反馈过大时，还可使放大器变成振荡器，不能正常工作。,在实际应用中电阻要产生热噪声，从而降低,59,解决的方法可以采用其一，另外加一个电源，以供给最后一级的输出电流。其二是增加低通滤波器，称之为电源退耦电路，滤掉电源电压波动。,在电路中除电源的寄生反馈以外，还有线路之间存在的分布电容，由于它的影响，高频信号都有位相的变化，使某些频率上的负反馈转变成正反馈，最后导致正反馈过大，放大器因发生高频振荡而不能正常工作。,解决的方法可以采用其一，另外加一个电源，以供给最后一,60,负反馈类型的判别法,(1)用瞬时极性法来判别正、负反馈；,(2)用输出短路法来判别电压、电流反馈；,(3)用反馈信号在输入端连接方式，来判别是串联反馈还是并联反馈；,负反馈类型的判别法,61,第四节 直流放大器,各种生物电信号中包含了频率很低的成分，在胃液压力和,pH,的测量中还会遇到很多不变化或慢变化信号。,这些直流或接近直流的慢变化信号不能用阻容耦合放大器进行放大，因此需要频带从零开始的直流放大器。,直流放大器有直接放大和调制放大两种。,第四节 直流放大器 各种生物电信号中包含,62,直流放大器面临两个问题一是各级直接耦合时没有隔直电容，直流电压相互不能隔离，使前、后级的静态工作点互相影响。二是零点漂移问题。当输入为零而输出不为零，且输出电压值在零点附近上下漂动且具随机性，这种现象称为零点漂移(zero drift)。,直流放大器面临两个问题一是各级直接耦合,63,造成零点漂移是由于元件的老化、电源电压的波动、特别是晶体管的参数随温度而变化等多种原因造成的。零点漂移引起输出电压的变化与被放大的有用信号无法区别开，对于直流放大器，前级引起的零点漂移电压，被后级放大，最后将掩盖正常输出。而差动放大器是克服零点漂移和抑制外界干扰的直流放大器的主要电路形式。,造成零点漂移是由于元件的老化、电源电压的波动、特别是晶体管的,64,一,.,直流放大器的级间耦合,1.,后级接发射极电阻,R,E,此时,T,2,管的基射电压等于,T,1,的集射电压减去,R,E,上的电压。只要适当的选择,R,E,的阻值，可使,T,1,管和,T,2,管都有合适的工作点，都工作在放大区，但,R,E,的接入将产生电流负反馈，使第二级的放大倍数下降。且,R,E,值还逐级增大，电流负反馈逐渐加深，使放大倍数依然很小。,一. 直流放大器的级间耦合 1. 后级接发射极,65,2.,后级发射极接二极管或稳压二极管,当二极管加上正向电压或稳压二极管加上反向偏置电压时，流过它们的电流在一定范围内变化时，二极管两端的电压基本不变。用二极管的压降代替,R,E,的电压，可以保证,T,2,管有合适的静态工作点，且因二极管的交流电阻很小，所以电流负反馈作用很小，从而可使电路的放大倍数降低较小。,2.后级发射极接二极管或稳压二极管,66,3,辅助电源法,上述方法解决了级间电位的耦合问题。为了得到较大的电压放大倍数，一般采取多级放大器，在共发射极放大电路中，每级集电极电位都高于基极电位。结果使输出电位不断上升，在一定电源电压下，能够输出的电压幅度下降，所以必须采取相应措施补偿直流电位的偏移。,前级集电极用两个电阻,R,1,、,R,2,连接在一个负的辅助电源上，然后电阻,R,1,、,R,2,的连接点与后级基极连接起来。只要电阻选择合适，各级都可以有适当工作点，但信号经分压传输会造成一些损失。,3辅助电源法,67,4.,交替使用互补管,为了解决信号的损失，利用电源极性不同的互补管,PNP,与,NPN,联合使用，可保证各级有合理的工作点。,利用,PNP,型晶体管集电极电位比基极电位低，克服,NPN,型晶体管集电极电位逐级提高而造成的输出电位降低的缺点。,R,C,可选择较大数值，使输出电压有较大的变化范围。采用此种办法可省去辅助电源，应用较多。,NPN,PNP,4.交替使用互补管 NPNPNP,68,二,.,差分放大器,1.,差分放大器,差分放大器,(differential amplifier),又称差动放大器，由两个完全对称的共发射放大电路组成，两个晶体管参数相同，两侧集电极电阻相等，两侧基极电阻也相等。,二. 差分放大器 1. 差分放大器,69,信号从两管基极输入(称双端输入)，从两管的集电极输出(称双端输出)，而且对输入信号的要求是两个基极输入信号大小相等，位相相反，称差模输入。,当没有输入信号电压时，电路中由于温度变化，引起两个晶体管集电极电流和集电极电压相同的变化。如果将这两管的输出量折合到输入端，就相当在两个管的输入端分别加上大小相等，极性相同的输入信号，称为共模输入(commonmode input)，而输入的信号称为共模信号(commonmode signal)。,信号从两管基极输入(称双端输入)，从两,70,在实际电路中共模信号就是干扰或者是不需要的信号，它的来源还可以由外部两条同样的信号线上感应出来。当由两管集电极输出时，即取差输出，理想情况下，两路的共模信号电压相同，经过取差，输出电压为零，即没有输出。在实际电路中，两个电路很难完全对称，两路集电极输出电压不同，故还是有一些输出uod，此时放大倍数表达式为,KC为差分放大器的共模电压放大倍数，uC为共模输入电压，可见共模放大倍数愈小愈好。,在实际电路中共模信号就是干扰或者是不,71,当输入端上加一信号电压uid时，T1管和T2管的基极上分别加上ui1=uid/2和ui2=uid/2，输入电压大小相等相位相反，称差模输入(differential input)。由于两管参数完全对称，两管对输入信号具有同样放大作用，T1、T2管输出电压分别为,从两个集电极间输出电压为,因为差动放大器的放大倍数Kd定义为uoduid，故可得,式中RC、rbe、可为电路任一侧参数，差模输入信号是所要放大的有用信号，因此差模放大倍数愈大愈好。,当输入端上加一信号电压uid时，T1,72,2.差分放大器的改进型,(1)具有射极公共电阻的差动放大器,RE对差模信号无电流负反馈作用，只对共模信号有电流负反馈作用，如当温度变化引起一系列反馈过程如下,2.差分放大器的改进型,73,(2),带恒流源的差分放大器,恒流源的动态电阻可以看成是无限大，对共模干扰的负反馈加大，采用恒流源以后，能很好的抑制共模信号干扰，因此，在理想情况下，即使两侧电路稍有不对称，共模放大倍数也等于零；但在一般情况下，共模放大倍数,很难为零。这是因为电路中两侧晶体管的参数，以及电路相对应的电阻不完全一致。,(2) 带恒流源的差分放大器,74,3. 共模抑制比CMRR,为了说明差动放大器对共模信号的抑制能力，常用共模抑制比(commonmode rejection ratio)来表示，定义为差模电压放大倍数和共模电压放大倍数之比，即,CMRR=KdKC,共模抑制比CMRR也常用分贝表示，规定为20lgKdKC。,3. 共模抑制比CMRR,75,在理想情况下，电路中两侧相对应的元件参数完全相同，所以,CMRR,为无穷大。但在一般情况下，相应的元件各参数不可能完全一致，尤其是在温度变化情况下，更不可能完全相同。,克服电路两侧不完全对称的缺点，通常把,T,1,和,T,2,的射极接到一个阻值很小的电位器两端，,R,E,或恒流源连接在电位器的中间滑动接点处，改变滑动接点的位置就在两个晶体管的射极电路中分别引入了不同程度的电流负反馈，使电路两侧更为对称，这个过程称为调零，这时两侧分别引入的射极电阻使两管的电流分配的更为稳定。,在理想情况下，电路中两侧相对应的元件参,76,通过上面的分析可见，差分放大器在共模输入时，,R,E,有电流负反馈作用，所以输入阻抗很高。在差模输入时没有负反馈作用，输入电阻很低。,信号源通常是高内阻。差模输入时，差分放大器输入电阻小，所以差模信号衰减很多，而对外部共模干扰衰减很小，这意味着对于高内阻的信号源，差分放大器抑制共模干扰的实际能力不是很大，为此可采取在电路两侧增加射极电阻，分别引入电流负反馈，增加差模输入电阻，也可用场效应管代替晶体管，称场效应管差分放大器，但需注意场效应管有失调电压和温漂较大的缺点。,通过上面的分析可见，差分放大器在共模输,77,4.差分放大器的输入、输出方式,基本有四种即双端输入双端输出，双端输入单端输出，单端输入双端输出和单端输入单端输出。,在很多情况下，我们需要对地输出，这时差分放大器处在单端输出状态下，在差模输入时，n点位相与a点的输入电压相同，而与b点的相反，所以由n点输出时，a点为同相输入端，b点为反相输入端。,差分放大器可抑制零点漂移，且有灵活的输入和输出方式，被广泛的应用在各种生物医学测量仪器中，如心电机的前置放大器，因其选用直接耦合方式，所以它也是集成运算放大器的基础。,4.差分放大器的输入、输出方式,78,三,.,调制型直流放大器,对于直流或缓慢变化信号的放大，为了解决级和级之间的直流电位相互影响和零点漂移的问题，除采取上面介绍的差动放大器外，还可以用调制型直流放大器。,它是将直流或缓慢变化信号先转换成一定频率的交流信号，然后经过交流放大，再将放大后的交流信号变换成原直流或缓慢变化的信号。,三. 调制型直流放大器 对于直流或缓慢变,79,斩波调制器,这种调制器的任务是把直流信号变成交流信号。,2.,放大后的解调,上述斩波调制得到的矩形波经交流放大后，需要再把它变成与输入信号幅度和极性相对应的直流信号，这就是解调。,斩波调制器,80,第五节 功率放大器,电子仪器最后一级的放大器，常常需要给负载提供较大的电压和较大的电流，也就是需要供给负载较大的功率，这种放大器称为功率放大器,(power amplifier),，简称为功放。,放大电路实质都是能量转换电路，从能量控制的观点来看功率放大器和电压放大器、电流放大器没有本质的区别，无论哪种放大器，在负载上都同时存在输出电压，输出电流和输出功率。,第五节 功率放大器 电子仪器最后一级的放大,81,一,.,甲类功率放大器,根据功率管工作点的位置不同，可分为不同种功率放大器。,当晶体管工作点选择在特性曲线的线性部分时，称为甲类功率放大器。其功率放大器的原理与电压放大器完全相同。,功率放大器要输出一定功率，所以选用的晶体管是大功率管，电阻,R,C,和,R,B1,及,R,B2,的阻值要选得小一些，功率大些，如果负载电阻适当，可代替,R,C,直接连在集电极电路中。,一. 甲类功率放大器 根据功率管工作点的,82,像电压放大器一样，电路中同时存在直流和交流，直流功率即直流成分产生的功率，它的能量消耗在电路内，交流功率即有用信号产生的功率，由负载输出，其值越大说明效率越高。,为了有大功率输出，一般放大器要工作在大信号输入状态下，所以容易产生非线性失真。晶体管常常工作在极限状态下，如输出电流、功耗等可达到晶体管的相应的极限值，所以要注意功率管的散热和过电流、过电压保护等问题。,像电压放大器一样，电路中同时存在直流,83,在输入信号的整个周期内，晶体管均处于导通状态，信号的正半周期和负半周期波形均可全部流过，波形不失真，但电源始终不断的输出功率，这些功率消耗在管子和电阻上，并转化为热量形式散出，而在负载上输出的功率却很小，效率降低。,在输入信号的整个周期内，晶体管均处于,84,若将晶体管的工作点调整在截止区，在信号的某半周期满足晶体管的基极偏压时可以导通，在负载上有半波输出，在信号的另半周期到来时，晶体管处于截止状态，在负载上没有输出，此半周波形被削掉了，显然造成了波形失真，这种方式称为乙类功率放大器。,这种功率放大器的最大优点是效率高，因为在晶体管截止时没有电流，消耗在晶体管和电阻上的功率明显的减少，为了弥补乙类功率放大器的不足，采用了下面这种功率放大器。,若将晶体管的工作点调整在截止区，在信号,85,单管乙类功率放大器的输出波形出现严重的失真，解决的办法是使用两个晶体管，且保证使两个晶体管轮流导通。,实现的办法是在输入、输出端采用变压器耦合，在输入变压器上可以获得正、反位相的输入信号，输出变压器可以把两个晶体管的输出电流组合成负载电流，其波形正好与输入信号波形相同，根据两个晶体管工作状态，又称为推挽式乙类功率放大器。,单管乙类功率放大器的输出波形出现严重的,86,i,c,1,i,b,1,u,i,0,u,i,0ui0，T1管发射结处于正偏，导通，它的集电极电流通过输出变压器B2的原线圈的上半部，由于电磁感应在输出变压器B2的副线圈内出现电流，此时T2管发射结处于反偏电压而截止。在信号的负半周期Ube0时，T2管发射结处于正向偏压而导通，在输出变压器的副线圈中感应出向下的电压，此时T1管处于截止状态，这样两个晶体管交替工作，在负载上就获得了与输入信号相同的交变电压和电流。,两个晶体管的射极接地，基极通过输入变压,88,另外变压器还起到阻抗转换作用，当满足负载与放大器输出的阻抗匹配条件时，则在负载得到最大功率。,根据变压器的原理，变压器耦合不能应用于直流信号或低频成分很丰富的信号，普通变压器也不能应用于核医学中所遇到的变化很快的尖锐脉冲信号上，在变压器适用的频带里，由于变压器的体积和重量都较大，造价也较高，故近年来在很多地方被无变压器耦合功率放大器所代替。,另外变压器还起到阻抗转换作用，当满足负,89,三,.,无变压器耦合功率放大器,射极跟随器具有输出阻抗低、频带宽的特点，可作为放大器的输出级。为了提高输入阻抗和扩大跟随范围，常采用正负电源，并用,PNP,管代替射极电阻，形成双向跟随也称互补跟随器。,若负载呈现容性特点，输入电压上升时，跟随器的射极电流可给电容充电，当输出电压下降时，就由下一,个跟随器给负载电容提供放电通路，,T1,、,T2,互补工作，在负载上合成一个完整的波形。,三. 无变压器耦合功率放大器 射极跟随,90,