第二章生物医学信号放大第一节生物电放大器前置级原理一、基本要求1．高输入阻抗2．高共模抑制比为了抑制人体所携带的工频干扰以及所测量的参数外的其他生理作用的干扰，CMRR应是放大器的主要指标。生物电放大器的CMRR值一般要求60-80dB，高性能放大器的CMRR达100dB。通过两个电极提取生物电位时，等效源阻抗Zs1和Zs2一般不完全相等，其数值大小与人体汗腺分泌情况、皮肤清洁程度有关。各个电极处的皮肤接触电阻是不平衡的，而且因人而异，加之两个电极本身的物理状态不可能完全对称，这样使得与差动放大器两个输入相连的源阻抗Zs1和Zs2实际十分复杂。不平衡是绝对的，这种不平衡造成的危害是共模干扰向差模干扰的转化，从而造成共模干扰输出。对于已经发生的这种转化，放大器本身的共模抑制能力再高也将无济于事。但是，提高放大器的输入阻抗，则会减小这一转化。3．低噪声、低漂移高阻抗源本身就带来相当可观的热噪声，使输入信号的质量很差。所以，为了获得一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有严格的要求。理想的生物电放大器，能够抑制外界干扰使其减弱到和放大器的固有噪声为同一数量级。放大的低噪声性能主要取决于前置级，正确设计放大器的增益分配，在前置级的噪声系数较小时，可以获得良好的低噪声性能。前置级的低噪声设计，是整个放大器设计的主要任务。4．设置保护电路作为生物医学测量的生物电放大器，应在前置级设置保护电路，包括人体安全保护电路和放大器输入保护电路。任何出现在放大器输入端的电流或电压，都可能影响生物电位，使人体遭受电击。保护电路使通过电极的电流保持在安全水平。在进行人体生物电检测时，应考虑到同时作用于人体的其他医学检测设备或可能存在的某种干扰对放大器的破坏作用。前置级的输入回路设置保护电路，以保证放大器的正常工作。二、差动放大电路分析方法放大电路总的增益为：整个放大器的总的共模抑制比CMRR为：理论上，为了提高放大器的CMRR，可以使外电路电阻失配造成的共模误差电压与集成器件本身产生的共模误差电压互相抵消，以使Ac趋近于零。但实际上，外回路电阻的阻值随温度、时间而漂移，加之CMRRD的非线性影响，这种补偿方法的效果是很有限的。经过精心的调整，可以获得CMRR比CMRRR高一个数量级的改进。差动放大电路的共模抑制能力受到放大电路的闭环增益、外电路电阻匹配精度以及放大器件本身的CMRRD等诸多因素的影响。在设计过程中，为实现一定的CMRR值，应根据被放大的信号、采用的电路结构，予以考虑。三、差动放大应用电路上述基本差动放大电路输入电阻不够高的根本原因在于差动输入电压是从放大器同相端和反相端两侧同时加入的。如果把差动输入信号都从同相端送入，则能大大提高电路的输入阻抗。方法有：采用同相输入结构或在差动放大电路前面增加一级缓冲级（同相电压跟随器），实现阻抗变换。同相并联差动放大结构电路作为生物电放大器前置级的设计步骤为：（1）器件选择。通过测量，确定共模抑制比严格对称的A1、A2（通常相差不应超过0.5dB）和高共模抑制比参数的A3（通常大于100dB）。这样进行挑选之后，器件本身将不成为放大电路的共模抑制比的限制因素。（2）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。（3）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CMRR值。在前置级增益确定之后，Ad1、Ad2互相制约。但是Ad1取得较高一些，是有利于总的共模抑制能力的提高的。而Ad2相应减小虽然会造成CMRRR的下降，但对总的共模抑制比的影响相对比较小。放大器各级增益的设计，实际受到低噪声性能的限制。从第一章第二节可知，多级放大器的噪声系数F，在第一级增益较高时，后边各级的噪声系数的影响相对减小，放大器总的噪声系数主要取决于第一级。提高第一级增益使信号质量改善，提高了信噪比；实验证明，尽可能提高第一级电压增益，有利于实现低噪声性能。四、前置级共模抑制能力的提高1、屏蔽驱动从与人体相接触的电极到测量系统，通常有大于lm的距离。例如ECG，EEG体表电极到前置放大器之间有数根约lm的导联引线。导联引线用屏蔽电缆，这样，信号通过电缆传输时，在信号线（芯线）和电缆屏蔽层之间将有可观的分布电容。屏蔽层接地时，分布电容变为放大器输入端对地的寄生电容C1、C2。两根导联线的分布电容不可能是完全相等的，加之电极阻抗Rs的不平衡，则Rs1C1≠Rs2C2，从而造成共模电压的不等量的衰减，使放大器的CMRR下降。使屏蔽层电容不起衰减作用就可消除屏蔽层电容的不良影响。例如，导联线的屏蔽层不予接地，而接到与共模输入信号相等的电位点上，则共模电压就能不衰减地传送到差动放大器输入端，从而不会产生共模量不等量衰减形成的共模误差。从这个观点出发，取