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高性能生物电放大器电路及其剖析 (ZT)

moran
助工
2008-07-20 16:31:40     打赏
随着数字电子技术的发展，对生物电信号的简单记录重现已不在能满足当前的需要，通过对已获取的数字信号进行处理如数字滤波、参数计算、频域变换等以得到更佳的信号和更多的信息已成为现今电子技术发展的趋势。而这一切的实现的一个重要的前提是将生物电信号数字化，众所周知，生物电信号一般都非常微弱，mV或μV量级的，只有对其进行放大到适当范围才能够为ADC采集转化，这些都决定了信号放大电路成为整个系统设计成败的关键。


如图1为系统应用的心电信号采集系统。该系统主要由三大部分构成：①由两个LM324(IC1B和IC1C)并联及相关的电阻(R1、R2和R3)和正向输入端并联的保护二极管构成的前置放大部分②由R5、R4、C2、C3、R6、R7及LM324(ICA1)构成的中间处理环节,称之为中间级③由AD620、R30及R8、C8构成的后级电路,将其统称为后级放大部分。请考生参照上图回答下列问题。
1 前置放大部分
1．为什么在四运放正向输入端并联两个反向的二极管？器件选择及接入方式需要注意什么？
答：保护作用。当运放输入端引入较大的电压信号（超过了LM324承受范围）会将运放击穿烧毁，使心电图机无法在正常工作。在两个二极管的前端接入一个几十K的电阻（一般选10K即可）起到限流的作用，否则电流过大引起二极管发热最终导致非可逆的热击穿，使其失去了保护的作用。二极管应该选择导通电阻大（降低了输入阻抗），也可以用漏电流较小的稳压二极管来代替。


2.为什么采用两级放大电路，不但电路设计复杂，而且噪声引入的机会更多？
答：人体电生理信号的一个显著的特点为信号源阻抗高、信号微弱而且存在很强的背景噪声和干扰，如果直接将信号引入交流放大的输入端（其他放大形式如D/AC反馈型心电放大器等在后面讨论），在本电路中也即将信号直接从C2和C3前端（即网络标号RAFALL和RLFALL）接入，其示意图如下。

该电路的优点：由于采用交流放大形式，所以可以只进行一级放大（用一个高性能的仪用放大器）且将放大倍数做的很大，这样不但节省了器件，同时将CMRR做的很大（仪用放大器的CMRR与差模放大倍数正相关）。
实际运用可能出现的问题：
 信号拾取能力不够强
为了减轻被测生理信号源的负载负担，一般要求生物电测量放大器的输入阻抗尽可能的大，通常要求放大器的输入阻抗比信号源的内阻抗大数十上百倍，所以生物电放大器的输入阻抗应不小于 2M ohm。对本电路来说就是要求时间常数电路的R1和R2不应该小于 2M ohm，但这样做会出现两个问题：①阻值很大，很难作到匹配。对于1%的精度的电阻，相差就在几十K的量级，这样将会出现下共模变差模的问题。②由于仪用放大器其实际上就是集成三运放电路，前级为并联的二运放的结构，存在着偏置电流会在运放两输入端串联电阻上产生很大的不平衡电压，情则会造成测量信号基线飘移使的输出信号出现削顶的情况，重则导致运放饱和完全无法工作。而如果为了和内部电阻匹配则外部电阻不能超过24.7K ohm，换言之，放大器的输入阻抗不会超过24.7K ohm，那么放大系统提取信号的能力就可想而知有多低了（生物体的内阻可达几十K ohm 、乃至几百K ohm）。
 共模变差模
将共模变为差模有两个原因：
①电极阻抗不一致。由于不同部位皮肤表面物理状况不同（有无出汗、污垢、粗糙度）以及电极接触好坏不同等原因都会导致电极阻抗不同。
②时间常数电路匹配。电容尤其是容值较大的电容很难作到匹配一致
这些都会导致共模信号在仪用放大器的两输入的分压不一致，最终也可能导致放大器饱和，起不到线形放大的作用。

3.按照弗里斯公式表述，前级放大倍数越高对应的总总噪声系数越小，那并联二运放的增益为什么不做的大一点？(注意: 弗里斯公式中的增益为功率增益)
答：关于总噪声系数的弗里斯表达式：

其中NF1、NF2、NF3…为各级噪声系数， K1、K2、K3…为功率增益
从公式可以看出低噪设计的关键在第一级放大，而实现这一目标的唯一办法是在最大限度降低第一级放大器固有噪声的同时提高第一级放大的增益。换而言之，第一级放大器的固有噪声决定了整机的有用增益。由此也可看出，提高前置放大器的增益更能进一步降低系统噪声。但是在这之前的我们一直没有考虑有关输入干扰和噪声对整个放大电路的影响。在检测生物电信号的同时，会有很多干扰，其中以50Hz工频干扰和极化电压为主要成分。前者是由于交流电在输电线与人体之间的分布电容与人体对地电阻上分压产生，幅值可达几伏到几十伏，后者主要是由于测量电极与人体之间构成的化学半电池而产生的直流电压，幅值最大可到300mV，那么对于一个用+5V单电源供电的运放而言，当放大倍数取到14~15倍时就有饱和的危险。这也是为何在后级放大之前信号要经过隔直电路（时间常数电路）的原因所在。

4．请简述一下前级放大电路在整个系统的功用？
答：采用并联型的前级放大电路实现了共模信号保持不变，即放大倍数为1，差模信号以教小倍数进行放大（1+(R2+R3)/R1），但这些并不是它的主要贡献，它的作用用一句话概括就是：实现了阻抗变换和功率放大，将信号源很大和不确定的内部阻抗变为较小的运放输出阻抗，降低了对后级电路的性能的要求，提高了整个系统对共模信号的抑制能力。
2 中间级
1．R4和R5及LM324所构成的电路的作用是什么？
答：R4和R5为两个等阻值的电阻，它们的作用在于提取共模信号。
设R4端RAFALL的电势为Vcm+K*V1/2 R5端的LLFALL的电势为Vcm-K*V1/2
则可知R4和R5中间点的电压，即LM324正向输入端的电压为Vcm。在选择电阻时需要注意，应该选取阻值稍微大一点（处于前级运放的驱动能力及降低功耗的考虑，一般用100K）、精度稍微高一点的。

2．C2和R6及C3和R7构成的电路的目的在于什么？
答：前面我们已经分析过了，在测量生物电信号的过程中会引入很多干扰，其中的极化电压可达几百mV，限制了放大器的增益，极化电压一般变化比较缓慢，可看作低频信号。由C2和R6及C3和R7构成的高通滤波器（时间常数电路）将滤除掉极化电压，以利于后级提高增益，从而提高整个系统CMRR。

3．LM324接成射跟器设计结构的作用在于什么？
答：射跟器的重要作用就在于阻抗变化，以提高信号源的驱动的能力，在这里就是为了将共模信号无失真的输出作为阻容耦合电路的共模驱动，在这里设C2、C3的阻抗分别为ZC2 、ZC3，R6 R7的阻抗为ZR6、ZR7：

在无共模驱动的情况下共模成分Vcm在AD620两输入端的分压分别为：

在阻容匹配精度不够（电容的容值很难精确），假定为1%匹配误差，会将整个放大电路的共膜抑制比拉低至40dB，无法满足国标对心电图机>60 dB的要求。如果将工频干扰，幅值在几伏~几十伏，计算在内，那就不是单单波形失真，有可能有用信号完全被噪声信号所覆盖甚至放大器被饱和掉了。并且在实际的应用中还发现导联切换或测量过程出现尖脉冲时，基线漂移的很厉害要过很长才能回到0基线。

而如果加上了共模驱动，则Vcm在AD620两端的分压为：


从上面两式可以看出共模分量输入到AD620的电压值与电阻电容毫无关系，更不用说与其匹配精度有关了，这些也都得到实验证明了。

4．为什么在心电图级的设计中要加入右腿驱动电路？
答：右腿驱动电路是为了抑制共模干扰，从而提高系统的CMRR，下图为右腿驱动电路的工作原理图：

图3.2 右腿驱动电路的简化原理图

接入右腿驱动电路驱动后
VCOM ＝ 1×220V / ( 1/ K1 ＋2×K2 )
< 1×220V / 2×K2
其中：1和2分别为220V工频电源线和VORL作用时Ro与RG、CI的容抗之间的分压比
由此可见，加了右腿驱动电路之后，共模干扰降低了（2×K2）倍





问题5．请简述一下中间级在整个系统的功用？
答：中间级电路主要完成了滤除极化电压，为后级电路提高增益进而提高共模抑制比提供了可能；采用共模驱动电路，降低了对阻容器件匹配精度的要求，提高了整个电路的CMRR。
3 后级放大部分
1．如何选择放大倍数？
答：放大倍数的选择要考虑诸多方面，归纳起来主要有：采集信号的幅值范围、采用ADC的输入电压范围、ADC的分辨率及打印输出、液晶显示的方便。
例如：在本系统检测的是ECG信号，电压范围为0.5 ~ 4mv，采用的ADC是12位参考电压为0~3V，参照上面的已知信息我们可以开始设计了。
[1] 首先保证最小信号，即0.5mV可以被检测到，也就是说经过放大后电压应该超过ADC最小分辨率，1LSB，则放大倍数不应该<3000/4095/0.5=1.46
[2] 保证最大信号经放大后满量程益处，同时应该留出一定的余量来，则放大倍数不应该>3000/4=750
[3] 结合打印纸的分辨率8dot/mm，为了打印算法实现的简单，并且考虑到输出的三种的增益选择5mm/mv、10mm/mv、20mm/mv，来综合考虑总增益的选择。

2．后级低通滤波器有何作用？
答：根据Naquist采样定理，采样率至少应该为采集信号最高频率的两倍以上，才能保证信号不失真，即能够包含原来所有的频率信息。但是从仪用放大器输出信号则是各种高频信号都有，为了满足Naquist采样定理，才在输出端加一低通滤波，又称抗混叠滤波器，将高频成分滤除。在实际ECG应用中，一般将起高频截止频率设为72Hz左右

3．请简述一下后级放大电路在整个系统的功用？
答：后级电路采用廉价的仪器放大器，将双端信号转换为单端信号输出。由于阻容耦合电路的隔直作用，后级的仪器放大器可以做到很高的增益，进而得到很高的共模抑制比，同时将高频成分滤除以满足采样需要。
 
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关键词： 高性能     生物电     放大器     电路     及其     剖析     信号     放    

ldyttxs
菜鸟
2014-03-12 19:25:48     打赏
2楼
线路图为什么看不清

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