人民教育出版社医用电子学第三章.ppt

第三章生物医学常用放大器第一节生物医学信号的特点一 生物电信号的基本特征1 产生 心电 脑电 肌电2 生物电信号特征 频率特性 频率在0 几千 z 幅值特性 信号弱 噪声强 干扰信号 信号源输出阻抗高二 生物放大器的特点针对生物电信号的特点 医学生物放大器应具备如下基本特点 有精确而稳定的放大倍数 反馈 放大器前级应具有很高的输入阻抗 高共模抑制比 低噪声的场效应管 低漂移 放大器的频率和幅值与生物信号的频率和幅值很接近 适当的通频带 第二节负反馈放大器一 反馈 feedback 的基本概念1 概念 指将系统的输出量 电压或电流 的一部分或全部 通过一定的方式送回到输入端 并对输入和输出造成一定影响的过程 2 分类 按照反馈极性可分为正反馈和负反馈A 正反馈 反馈信号使放大电路净输入信号增加 从而使放大电路的输出信号比没有反馈时增大 B 负反馈 反馈信号使放大电路净输入信号减少 从而使放大电路的输出信号比没有反馈时减小 按信号类型可分为直流反馈和交流反馈A 直流反馈 反馈信号为直流量 B 交流反馈 反馈信号为交流量 正负反馈判别采用 瞬时极性法 在放大器输入端假设输入信号在某一瞬时对地的极性为正或负 或 然后根据放大器各级电路输入端与输出端信号间的相位关系 同相或反相 标出电路各点的瞬时极性 再得到反馈端信号的极性 最后通过比较反馈端与输入端信号的极性来判断电路的净输入信号是加强还是减弱 其具体判别法为 当输入信号和反馈信号不在同一节点引入时 若两瞬时极性相同 则为负反馈 若两极性相反 则为正反馈 当输入信号和反馈信号在同一节点引入时 若两瞬时极性相同 则为正反馈 若两极性相反 则为负反馈 例 判断下列反馈是正反馈还是负反馈 分析 a 在放大器输入端假设输入信号在某一瞬时对地的极性为 由于信号从反相输入端输入 则输出端信号对地极性为 经过反馈电阻Rf得到的反馈信号极性为 如图所示 因输入信号和反馈信号不在同一节点引入 两信号极性相反 所以为正反馈 b 在放大器输入端假设输入信号在某一瞬时对地的极性为 由于信号从同向输入端输入 则输出端信号对地极性为 经过反馈电阻Rf得到的反馈信号极性为 如图所示 因输入信号和反馈信号不在同一节点引入 两信号极性相同 所以为负反馈 二 负反馈的基本类型1 类型根据反馈定义 反馈取样的对象可以是电压 也可以是电流 而反馈信号引回到输入端的连接方式可以是串联 也可以是并联 因而反馈有四种类型 电压串联反馈 电压并联反馈 电流串联反馈 电流并联反馈2 反馈类型的判别 串联 并联反馈判定 并联反馈 反馈信号与输入信号在同一节点引入 反馈信号和输入信号是以电流的形式进行比较 串联反馈 反馈信号与输入信号不在同一节点引入 反馈信号和输入信号是以电压的形式进行比较 3 应用 例2 判别下列反馈类型 电压 电流反馈判定 电压反馈 反馈信号为输出电压 反馈信号大小与电路的输出电压成正比 电流反馈 反馈信号为输出电流 反馈信号大小与电路的输出电流成正比 判别时也可采用使电路输出端短路 若反馈仍存在则为电流反馈 若不存在为电压反馈 分析 a 由于反馈信号和输入信号在同一节点引入 所以为并联反馈 若将输出端短路时 反馈信号将不存在 所以是电压反馈 此反馈为负反馈 如图所示 故为电压并联负反馈 b 由于反馈信号和输入信号不在同一节点引入 所以为串联反馈 若将输出端短路时 反馈信号将不存在 所以是电压反馈 此反馈为负反馈 如图所示 故为电压串联负反馈 特性 该类电路通常是用来从给定的信号电压ui获得较大的输出电流io A 转移跨导 GF io uiio ic ibui ube uF rbeib ic ib Re rbeib 1 ibReGF io ui rbe 1 Re 1 Re无反馈时 ui ube rbeib G0 rbe GF负反馈使GF减小 但使其更稳定 三 四种类型负反馈放大电路1 电流串联负反馈 电路 如图所示 原理 反馈信号与输入信号不在同一节点 同时极性相同 为串联负反馈 若将输出端短路 反馈仍存在 故为电流串联负反馈 由GF io ui得io GF ui 因ui恒定 同时GF 1 Re也恒定 故io恒定 C 稳定放大倍数Au uo ic RL ib RL RL RC RL AF uo ui ic RL ui GF RL RL Re GF io ui io ic 无反馈时 Au RL rbe AF负反馈使AF减小 但使其稳定 D 对Ri Ro的影响 电流负反馈使输出电阻Ro增大 串联负反馈使输入电阻Ri增大 B 恒流源 电流串联负反馈常应用到直流 把一个稳定电压加到基极 从集电极获得稳定的输出电流 称为恒流源 电路如图所示 2 电压串联负反馈 电路 如图所示 射极跟随器 源极跟随器 原理 射极跟随器和源极跟随器的原理相似 以射极跟随器为例 反馈信号与输入信号不在同一节点 同时极性相同 为串联负反馈 若将输出端短路 反馈不存在 故为电压串联负反馈 特性 A 稳定放大倍数AFui uo ube uo rbeibuo ieRe 1 ibRe Re Re RL AF uo ui 1 Re rbe 1 Re 1由此可见电路放大倍数略小于1 但其非常稳定 输出电压总是跟随输入电压变化 故称为跟随器 follower 此电路不能放大电压 但能够放大电流和功率 B 对Ri Ro的影响 电压负反馈使输出电阻Ro减小 串联负反馈使输入电阻Ri增大 3 电压并联负反馈 电路 如图所示 原理 反馈信号与输入信号在同一节点 同时极性相反 为并联负反馈 若将输出端短路 反馈不存在 故为电压并联负反馈 特性 A 稳定放大倍数AF负反馈使信号源提供的电流ii被反馈电阻分了一部分 基极电流ib实际减小 输出电压减小 故使放大倍数减小 但更稳定 B 对Ri Ro的影响 电压负反馈使输出电阻Ro减小 并联负反馈使输入电阻Ri减小 4 电流并联负反馈 电阻RE2和RF是联系输入和输出的公共支路 因此电路中有反馈支路 有反馈存在 反馈类型 假设输出电压短路 T2的射极电流仍存在 故是电流反馈 从反馈支路输入端的连接方式看 输入信号和反馈信号在同一节点引入 故属并联反馈 用瞬时极性判断可知 由于反馈电流的存在 使净输入信号减小 电路是负反馈 所以电路是电流并联负反馈 负反馈放大器开环 无反馈 放大倍数 A XO Xd 反馈电路的反馈系数为反馈信号与输出信号之比 引入负反馈后的净输入信号为 Xd Xi Xf 故 Af XO Xi Xf 三 负反馈对放大器性能的影响1 降低放大器的放大倍数 F Xf XO 负反馈放大器 有反馈 闭环放大倍数为 Af XO Xi A 1 FA 2 提高放大倍数的稳定性 例3 1某一放大器的开环电压放大倍数A 1000 若由于环境温度的影响 使A下降为600 若引入负反馈 反馈F 0 01 试比较引入负反馈前后电压放大倍数的相对变化量 解A 1000时A A 1 FA 1000 1 1000 0 01 90 91 A 600时A A 1 FA 600 1 600 0 01 85 71 开环电压放大倍数的相对变化量 A A 40 6 反馈回路中电阻值不宜过大 避免产生热噪声 闭环电压放大倍数的相对变化量 A A 5 7 3 减小非线性失真 4 展宽放大器的通频带 5 串联负反馈增大输入电阻 并联负反馈减小输入电阻 电压负反馈减小输出电阻 电流负反馈增加输出电阻 见书本59页表3 2 放大电路的反馈类型 判别方法和对放大电路性能的影响 第三节直流放大器生物医学信号是低频信号 所以直流放大器得到广泛应用 由于直流放大器用于放大直流信号或变化缓慢的电信号 产生了直流放大器所特有的问题 即级间耦合和零点漂移 一 零点漂移 1 概念 在直流放大器中 各级之间采用直接耦合 所以在放大器中任一点的直流电位改变都会改变输出端电压的变化 当输入信号电压为零时 输出电压应为零或保持某一稳定值 在实际电路中 由于温度变化 元件老化等原因 使得当输入信号电压为零时 直流放大器输出端电压有缓慢变化 这种现象称为零点漂移 温漂 2 产生原因 电阻变化 老化 可采用高精度电阻并经防老化处理 电源电压波动 采用高稳定度的直流稳压电源 晶体管参数随温度变化 主要原因 环境温度变化 晶体管的参数改变 电路工作状态发生改变 3 减小主要措施 利用非线性元件进行温度补偿利用温度对非线性元件 如半导体二极管 热敏电阻 的影响来抵消温度对晶体管参数的影响所产生的漂移 采用差动式放大电路利用两只型号 特性相同的晶体管进行温度补偿 二 直流放大器的级间耦合1 直接耦合 把前一级的输出端直接接到后一级的输入端 2 直接耦合的形式 把前级的集电极直接连到后级的基极电路 如图所示 特点 A 元件少 结构简单 B 为保证晶体管正常工作 后级的基极电势被抬高 级数增多 电路不能正常工作 C 射极电阻Re逐级增大 电流负反馈加深 放大倍数逐渐减少 辅助电源法电路 如图所示 特点 A 利用R1 R2和辅助电源的作用 使各级有适当的工作点 B 信号经过R1 R2分压传输有损失 互补管交替使用把PNP型晶体管和NPN型晶体管交替使用 电路如图所示 特点 各晶体管有适当工作点 信号传输无损失 应用较多 3 直流耦合的优缺点 在直接耦合下前后放大电路直接相连 可放大变化缓慢的信号 也可以反映信号直流电平的变化 也可放大交流信号 低频特性好 由于无电容 便于集成 前后级静态工作点不独立 相互影响 三 差分放大器 differentialamplifier 1 电路结构 如图所示 电路结构是对称的 电路中两个晶体管的特性一致 对称的元件也相同 信号电压由两个基极输入 放大后的输出电压由两管的集电极输出 输出电压与两个输入端的输入信号之差成正比 故称为差分放大器 2 工作原理 当无输入信号时 即Ui 0时 Ui1和Ui2均为零 温度变化将产生零点漂移 由于电路的对称性 U01 U02 则输出电压U0 U01 U02 即输出电压不随温度发生漂移 放大作用 当输入端加一信号电压Ui时 T1管的输入为Ui 2 T2管的输入为 Ui 2 即两管获得大小相等 极性相反的信号电压 即差模信号Ui1 Ui2 Ui 2 因电路完全对称 有Ic1 Ic2 Ic U01 U02 IcRc 所以输出电压U0 U01 U02 2IcRc 由此可见 输出电压U0是单管输出电压U01 U02 的两倍 与单管电路相比 输入电压也增大了一倍 因此电压放大倍数与单管电路相同 差模电压放大倍数为 抑制零点漂移作用 因电路是完全对称的 无论是温度变化 还是电压波动 都会引起两管集电极电流和集电极电压有相同的变化 即 Uc1 Uc2或 U01 U02 而输出电压变化 U0 U01 U02 0 即输出电压不变 抑制了零点漂移 若在T1管和T2管的输入端输入大小相等 极性相同的电压信号 即共模信号 Ui1 Ui2 由上述可知输出电压为U0 U01 U02 0 则差动放大器对共模信号有抑制作用 共模放大倍数为Ac 0 上述电路在双端输出或对称输出时 抑制零点漂移能力是比较强的 但如果采用单端输出或不对称输出时 此时电路零点漂移和单管放大电路一样 没有抑制作用 必须对电路加以改进 3 典型差分放大器 长尾电路 电路结构 为了限制单端输出的漂移电压 要设法稳定流过每个管子的电流 故在原电路的基础上在两管的射极电路中接入了公共电阻Re和负电源 Ee 如图所示 公共电阻Re和负电源 Ee具有什么作用呢 射极电阻Re的作用由前面讨论射极偏置电路知 Re具有稳定工作点的作用 从反馈的观点看 起电流负反馈作用 具有恒流特性 同时电路采用双管结构 电流负反馈作用增强 可更有效地抑制输出电压漂移 当两端输入信号Ui1 Ui2 0时 温度发生变化其每个管子的抑制过程可简单表示如下 T1 T IC1 IE UE UBE1 IB1 IC1 T2 T IC2 IE UE UBE2 IB2 IC2 由此可见 Re对共模信号有很强的电流负反馈作用 零点漂移被抑制 且Re越大抑制作用越强 Re对差模信号却无抑制作用 因为在电路输入端输入差模信号时 一管电流增加 另一管电流减小 在电路完全对称的情况下 IE1的增加量和IE2的减少量相等 流过Re的电流IE不发生变化 即Re对差模信号无负反馈作用 负电源 Ee的作用 Re越大 电路抑制零点漂移能力越强 但Re越大 电路的工作点将下移 为什么 电路电压放大倍数下降 为了使Re有较高的数值 又能保证各管子有合适的工作点 在发射极电路中接入 Ee 用来补偿Re上的电压降 以保证晶体管有合适的工作点 静态工作点的计算 由图可知 决定基极电流的主要因素是辅助电源和射极电阻 因此 不用基极电阻也可以建立合适的工作点 差模放大倍数Ad差模放大倍数与单管放大倍数相同 即 其中Rs为信号源内阻 对于双端输入单端输出的差动放大电路 其差模放大倍数为 共模放大倍数Ac 对于双端输入单端输出的差动放大电路 其共模放大倍数为 由此可见 Re越大 其抑制共模信号的能力越强 输入 输出电阻输入电阻 Ri 2rbe输出电阻 双端输出时 Ro 2Rc 单端输出时 Ro Rc 4 性能 共模抑制比 差动放大器有效地放大差模信号的同时 对共模信号有很强的抑制作用 差模放大倍数越大 共模放大倍数越小 则共模抑制能力越强 放大器的性能越好 将差模放大倍数与共模放大倍数的比值 称为共模抑制比 用KCMR表示 双端输出的共模抑制比为 理想的差动放大电路 AC 0 因而KCMR 5差分放大器的输入 输出方式 1 双端输入双端输出 3 单端输入双端输出 4 单端输入单端输出 有四种方式 2 双端输入单端输出 由于差分放大器选用的是直接偶合方式 它是集成运算放大器的基础 在下一章具体介绍 3 单端输入双端输出 4 单端输入单端输出