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第三章生物醫(yī)學(xué)常用放大器第一節(jié)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)一 生物電信號(hào)的基本特征1 產(chǎn)生 心電 腦電 肌電2 生物電信號(hào)特征 頻率特性 頻率在0 幾千 z 幅值特性 信號(hào)弱 噪聲強(qiáng) 干擾信號(hào) 信號(hào)源輸出阻抗高二 生物放大器的特點(diǎn)針對(duì)生物電信號(hào)的特點(diǎn) 醫(yī)學(xué)生物放大器應(yīng)具備如下基本特點(diǎn) 有精確而穩(wěn)定的放大倍數(shù) 反饋 放大器前級(jí)應(yīng)具有很高的輸入阻抗 高共模抑制比 低噪聲的場(chǎng)效應(yīng)管 低漂移 放大器的頻率和幅值與生物信號(hào)的頻率和幅值很接近 適當(dāng)?shù)耐l帶 第二節(jié)負(fù)反饋放大器一 反饋 feedback 的基本概念1 概念 指將系統(tǒng)的輸出量 電壓或電流 的一部分或全部 通過(guò)一定的方式送回到輸入端 并對(duì)輸入和輸出造成一定影響的過(guò)程 2 分類(lèi) 按照反饋極性可分為正反饋和負(fù)反饋A 正反饋 反饋信號(hào)使放大電路凈輸入信號(hào)增加 從而使放大電路的輸出信號(hào)比沒(méi)有反饋時(shí)增大 B 負(fù)反饋 反饋信號(hào)使放大電路凈輸入信號(hào)減少 從而使放大電路的輸出信號(hào)比沒(méi)有反饋時(shí)減小 按信號(hào)類(lèi)型可分為直流反饋和交流反饋A 直流反饋 反饋信號(hào)為直流量 B 交流反饋 反饋信號(hào)為交流量 正負(fù)反饋判別采用 瞬時(shí)極性法 在放大器輸入端假設(shè)輸入信號(hào)在某一瞬時(shí)對(duì)地的極性為正或負(fù) 或 然后根據(jù)放大器各級(jí)電路輸入端與輸出端信號(hào)間的相位關(guān)系 同相或反相 標(biāo)出電路各點(diǎn)的瞬時(shí)極性 再得到反饋端信號(hào)的極性 最后通過(guò)比較反饋端與輸入端信號(hào)的極性來(lái)判斷電路的凈輸入信號(hào)是加強(qiáng)還是減弱 其具體判別法為 當(dāng)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)不在同一節(jié)點(diǎn)引入時(shí) 若兩瞬時(shí)極性相同 則為負(fù)反饋 若兩極性相反 則為正反饋 當(dāng)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)在同一節(jié)點(diǎn)引入時(shí) 若兩瞬時(shí)極性相同 則為正反饋 若兩極性相反 則為負(fù)反饋 例 判斷下列反饋是正反饋還是負(fù)反饋 分析 a 在放大器輸入端假設(shè)輸入信號(hào)在某一瞬時(shí)對(duì)地的極性為 由于信號(hào)從反相輸入端輸入 則輸出端信號(hào)對(duì)地極性為 經(jīng)過(guò)反饋電阻Rf得到的反饋信號(hào)極性為 如圖所示 因輸入信號(hào)和反饋信號(hào)不在同一節(jié)點(diǎn)引入 兩信號(hào)極性相反 所以為正反饋 b 在放大器輸入端假設(shè)輸入信號(hào)在某一瞬時(shí)對(duì)地的極性為 由于信號(hào)從同向輸入端輸入 則輸出端信號(hào)對(duì)地極性為 經(jīng)過(guò)反饋電阻Rf得到的反饋信號(hào)極性為 如圖所示 因輸入信號(hào)和反饋信號(hào)不在同一節(jié)點(diǎn)引入 兩信號(hào)極性相同 所以為負(fù)反饋 二 負(fù)反饋的基本類(lèi)型1 類(lèi)型根據(jù)反饋定義 反饋取樣的對(duì)象可以是電壓 也可以是電流 而反饋信號(hào)引回到輸入端的連接方式可以是串聯(lián) 也可以是并聯(lián) 因而反饋有四種類(lèi)型 電壓串聯(lián)反饋 電壓并聯(lián)反饋 電流串聯(lián)反饋 電流并聯(lián)反饋2 反饋類(lèi)型的判別 串聯(lián) 并聯(lián)反饋判定 并聯(lián)反饋 反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在同一節(jié)點(diǎn)引入 反饋信號(hào)和輸入信號(hào)是以電流的形式進(jìn)行比較 串聯(lián)反饋 反饋信號(hào)與輸入信號(hào)不在同一節(jié)點(diǎn)引入 反饋信號(hào)和輸入信號(hào)是以電壓的形式進(jìn)行比較 3 應(yīng)用 例2 判別下列反饋類(lèi)型 電壓 電流反饋判定 電壓反饋 反饋信號(hào)為輸出電壓 反饋信號(hào)大小與電路的輸出電壓成正比 電流反饋 反饋信號(hào)為輸出電流 反饋信號(hào)大小與電路的輸出電流成正比 判別時(shí)也可采用使電路輸出端短路 若反饋仍存在則為電流反饋 若不存在為電壓反饋 分析 a 由于反饋信號(hào)和輸入信號(hào)在同一節(jié)點(diǎn)引入 所以為并聯(lián)反饋 若將輸出端短路時(shí) 反饋信號(hào)將不存在 所以是電壓反饋 此反饋為負(fù)反饋 如圖所示 故為電壓并聯(lián)負(fù)反饋 b 由于反饋信號(hào)和輸入信號(hào)不在同一節(jié)點(diǎn)引入 所以為串聯(lián)反饋 若將輸出端短路時(shí) 反饋信號(hào)將不存在 所以是電壓反饋 此反饋為負(fù)反饋 如圖所示 故為電壓串聯(lián)負(fù)反饋 特性 該類(lèi)電路通常是用來(lái)從給定的信號(hào)電壓ui獲得較大的輸出電流io A 轉(zhuǎn)移跨導(dǎo) GF io uiio ic ibui ube uF rbeib ic ib Re rbeib 1 ibReGF io ui rbe 1 Re 1 Re無(wú)反饋時(shí) ui ube rbeib G0 rbe GF負(fù)反饋使GF減小 但使其更穩(wěn)定 三 四種類(lèi)型負(fù)反饋放大電路1 電流串聯(lián)負(fù)反饋 電路 如圖所示 原理 反饋信號(hào)與輸入信號(hào)不在同一節(jié)點(diǎn) 同時(shí)極性相同 為串聯(lián)負(fù)反饋 若將輸出端短路 反饋仍存在 故為電流串聯(lián)負(fù)反饋 由GF io ui得io GF ui 因ui恒定 同時(shí)GF 1 Re也恒定 故io恒定 C 穩(wěn)定放大倍數(shù)Au uo ic RL ib RL RL RC RL AF uo ui ic RL ui GF RL RL Re GF io ui io ic 無(wú)反饋時(shí) Au RL rbe AF負(fù)反饋使AF減小 但使其穩(wěn)定 D 對(duì)Ri Ro的影響 電流負(fù)反饋使輸出電阻Ro增大 串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻Ri增大 B 恒流源 電流串聯(lián)負(fù)反饋常應(yīng)用到直流 把一個(gè)穩(wěn)定電壓加到基極 從集電極獲得穩(wěn)定的輸出電流 稱為恒流源 電路如圖所示 2 電壓串聯(lián)負(fù)反饋 電路 如圖所示 射極跟隨器 源極跟隨器 原理 射極跟隨器和源極跟隨器的原理相似 以射極跟隨器為例 反饋信號(hào)與輸入信號(hào)不在同一節(jié)點(diǎn) 同時(shí)極性相同 為串聯(lián)負(fù)反饋 若將輸出端短路 反饋不存在 故為電壓串聯(lián)負(fù)反饋 特性 A 穩(wěn)定放大倍數(shù)AFui uo ube uo rbeibuo ieRe 1 ibRe Re Re RL AF uo ui 1 Re rbe 1 Re 1由此可見(jiàn)電路放大倍數(shù)略小于1 但其非常穩(wěn)定 輸出電壓總是跟隨輸入電壓變化 故稱為跟隨器 follower 此電路不能放大電壓 但能夠放大電流和功率 B 對(duì)Ri Ro的影響 電壓負(fù)反饋使輸出電阻Ro減小 串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻Ri增大 3 電壓并聯(lián)負(fù)反饋 電路 如圖所示 原理 反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在同一節(jié)點(diǎn) 同時(shí)極性相反 為并聯(lián)負(fù)反饋 若將輸出端短路 反饋不存在 故為電壓并聯(lián)負(fù)反饋 特性 A 穩(wěn)定放大倍數(shù)AF負(fù)反饋使信號(hào)源提供的電流ii被反饋電阻分了一部分 基極電流ib實(shí)際減小 輸出電壓減小 故使放大倍數(shù)減小 但更穩(wěn)定 B 對(duì)Ri Ro的影響 電壓負(fù)反饋使輸出電阻Ro減小 并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻Ri減小 4 電流并聯(lián)負(fù)反饋 電阻RE2和RF是聯(lián)系輸入和輸出的公共支路 因此電路中有反饋支路 有反饋存在 反饋類(lèi)型 假設(shè)輸出電壓短路 T2的射極電流仍存在 故是電流反饋 從反饋支路輸入端的連接方式看 輸入信號(hào)和反饋信號(hào)在同一節(jié)點(diǎn)引入 故屬并聯(lián)反饋 用瞬時(shí)極性判斷可知 由于反饋電流的存在 使凈輸入信號(hào)減小 電路是負(fù)反饋 所以電路是電流并聯(lián)負(fù)反饋 負(fù)反饋放大器開(kāi)環(huán) 無(wú)反饋 放大倍數(shù) A XO Xd 反饋電路的反饋系數(shù)為反饋信號(hào)與輸出信號(hào)之比 引入負(fù)反饋后的凈輸入信號(hào)為 Xd Xi Xf 故 Af XO Xi Xf 三 負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響1 降低放大器的放大倍數(shù) F Xf XO 負(fù)反饋放大器 有反饋 閉環(huán)放大倍數(shù)為 Af XO Xi A 1 FA 2 提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性 例3 1某一放大器的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)A 1000 若由于環(huán)境溫度的影響 使A下降為600 若引入負(fù)反饋 反饋F 0 01 試比較引入負(fù)反饋前后電壓放大倍數(shù)的相對(duì)變化量 解A 1000時(shí)A A 1 FA 1000 1 1000 0 01 90 91 A 600時(shí)A A 1 FA 600 1 600 0 01 85 71 開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)的相對(duì)變化量 A A 40 6 反饋回路中電阻值不宜過(guò)大 避免產(chǎn)生熱噪聲 閉環(huán)電壓放大倍數(shù)的相對(duì)變化量 A A 5 7 3 減小非線性失真 4 展寬放大器的通頻帶 5 串聯(lián)負(fù)反饋增大輸入電阻 并聯(lián)負(fù)反饋減小輸入電阻 電壓負(fù)反饋減小輸出電阻 電流負(fù)反饋增加輸出電阻 見(jiàn)書(shū)本59頁(yè)表3 2 放大電路的反饋類(lèi)型 判別方法和對(duì)放大電路性能的影響 第三節(jié)直流放大器生物醫(yī)學(xué)信號(hào)是低頻信號(hào) 所以直流放大器得到廣泛應(yīng)用 由于直流放大器用于放大直流信號(hào)或變化緩慢的電信號(hào) 產(chǎn)生了直流放大器所特有的問(wèn)題 即級(jí)間耦合和零點(diǎn)漂移 一 零點(diǎn)漂移 1 概念 在直流放大器中 各級(jí)之間采用直接耦合 所以在放大器中任一點(diǎn)的直流電位改變都會(huì)改變輸出端電壓的變化 當(dāng)輸入信號(hào)電壓為零時(shí) 輸出電壓應(yīng)為零或保持某一穩(wěn)定值 在實(shí)際電路中 由于溫度變化 元件老化等原因 使得當(dāng)輸入信號(hào)電壓為零時(shí) 直流放大器輸出端電壓有緩慢變化 這種現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移 溫漂 2 產(chǎn)生原因 電阻變化 老化 可采用高精度電阻并經(jīng)防老化處理 電源電壓波動(dòng) 采用高穩(wěn)定度的直流穩(wěn)壓電源 晶體管參數(shù)隨溫度變化 主要原因 環(huán)境溫度變化 晶體管的參數(shù)改變 電路工作狀態(tài)發(fā)生改變 3 減小主要措施 利用非線性元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償利用溫度對(duì)非線性元件 如半導(dǎo)體二極管 熱敏電阻 的影響來(lái)抵消溫度對(duì)晶體管參數(shù)的影響所產(chǎn)生的漂移 采用差動(dòng)式放大電路利用兩只型號(hào) 特性相同的晶體管進(jìn)行溫度補(bǔ)償 二 直流放大器的級(jí)間耦合1 直接耦合 把前一級(jí)的輸出端直接接到后一級(jí)的輸入端 2 直接耦合的形式 把前級(jí)的集電極直接連到后級(jí)的基極電路 如圖所示 特點(diǎn) A 元件少 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 B 為保證晶體管正常工作 后級(jí)的基極電勢(shì)被抬高 級(jí)數(shù)增多 電路不能正常工作 C 射極電阻Re逐級(jí)增大 電流負(fù)反饋加深 放大倍數(shù)逐漸減少 輔助電源法電路 如圖所示 特點(diǎn) A 利用R1 R2和輔助電源的作用 使各級(jí)有適當(dāng)?shù)墓ぷ鼽c(diǎn) B 信號(hào)經(jīng)過(guò)R1 R2分壓傳輸有損失 互補(bǔ)管交替使用把PNP型晶體管和NPN型晶體管交替使用 電路如圖所示 特點(diǎn) 各晶體管有適當(dāng)工作點(diǎn) 信號(hào)傳輸無(wú)損失 應(yīng)用較多 3 直流耦合的優(yōu)缺點(diǎn) 在直接耦合下前后放大電路直接相連 可放大變化緩慢的信號(hào) 也可以反映信號(hào)直流電平的變化 也可放大交流信號(hào) 低頻特性好 由于無(wú)電容 便于集成 前后級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)不獨(dú)立 相互影響 三 差分放大器 differentialamplifier 1 電路結(jié)構(gòu) 如圖所示 電路結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的 電路中兩個(gè)晶體管的特性一致 對(duì)稱的元件也相同 信號(hào)電壓由兩個(gè)基極輸入 放大后的輸出電壓由兩管的集電極輸出 輸出電壓與兩個(gè)輸入端的輸入信號(hào)之差成正比 故稱為差分放大器 2 工作原理 當(dāng)無(wú)輸入信號(hào)時(shí) 即Ui 0時(shí) Ui1和Ui2均為零 溫度變化將產(chǎn)生零點(diǎn)漂移 由于電路的對(duì)稱性 U01 U02 則輸出電壓U0 U01 U02 即輸出電壓不隨溫度發(fā)生漂移 放大作用 當(dāng)輸入端加一信號(hào)電壓Ui時(shí) T1管的輸入為Ui 2 T2管的輸入為 Ui 2 即兩管獲得大小相等 極性相反的信號(hào)電壓 即差模信號(hào)Ui1 Ui2 Ui 2 因電路完全對(duì)稱 有Ic1 Ic2 Ic U01 U02 IcRc 所以輸出電壓U0 U01 U02 2IcRc 由此可見(jiàn) 輸出電壓U0是單管輸出電壓U01 U02 的兩倍 與單管電路相比 輸入電壓也增大了一倍 因此電壓放大倍數(shù)與單管電路相同 差模電壓放大倍數(shù)為 抑制零點(diǎn)漂移作用 因電路是完全對(duì)稱的 無(wú)論是溫度變化 還是電壓波動(dòng) 都會(huì)引起兩管集電極電流和集電極電壓有相同的變化 即 Uc1 Uc2或 U01 U02 而輸出電壓變化 U0 U01 U02 0 即輸出電壓不變 抑制了零點(diǎn)漂移 若在T1管和T2管的輸入端輸入大小相等 極性相同的電壓信號(hào) 即共模信號(hào) Ui1 Ui2 由上述可知輸出電壓為U0 U01 U02 0 則差動(dòng)放大器對(duì)共模信號(hào)有抑制作用 共模放大倍數(shù)為Ac 0 上述電路在雙端輸出或?qū)ΨQ輸出時(shí) 抑制零點(diǎn)漂移能力是比較強(qiáng)的 但如果采用單端輸出或不對(duì)稱輸出時(shí) 此時(shí)電路零點(diǎn)漂移和單管放大電路一樣 沒(méi)有抑制作用 必須對(duì)電路加以改進(jìn) 3 典型差分放大器 長(zhǎng)尾電路 電路結(jié)構(gòu) 為了限制單端輸出的漂移電壓 要設(shè)法穩(wěn)定流過(guò)每個(gè)管子的電流 故在原電路的基礎(chǔ)上在兩管的射極電路中接入了公共電阻Re和負(fù)電源 Ee 如圖所示 公共電阻Re和負(fù)電源 Ee具有什么作用呢 射極電阻Re的作用由前面討論射極偏置電路知 Re具有穩(wěn)定工作點(diǎn)的作用 從反饋的觀點(diǎn)看 起電流負(fù)反饋?zhàn)饔?具有恒流特性 同時(shí)電路采用雙管結(jié)構(gòu) 電流負(fù)反饋?zhàn)饔迷鰪?qiáng) 可更有效地抑制輸出電壓漂移 當(dāng)兩端輸入信號(hào)Ui1 Ui2 0時(shí) 溫度發(fā)生變化其每個(gè)管子的抑制過(guò)程可簡(jiǎn)單表示如下 T1 T IC1 IE UE UBE1 IB1 IC1 T2 T IC2 IE UE UBE2 IB2 IC2 由此可見(jiàn) Re對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的電流負(fù)反饋?zhàn)饔?零點(diǎn)漂移被抑制 且Re越大抑制作用越強(qiáng) Re對(duì)差模信號(hào)卻無(wú)抑制作用 因?yàn)樵陔娐份斎攵溯斎氩钅Ｐ盘?hào)時(shí) 一管電流增加 另一管電流減小 在電路完全對(duì)稱的情況下 IE1的增加量和IE2的減少量相等 流過(guò)Re的電流IE不發(fā)生變化 即Re對(duì)差模信號(hào)無(wú)負(fù)反饋?zhàn)饔?負(fù)電源 Ee的作用 Re越大 電路抑制零點(diǎn)漂移能力越強(qiáng) 但Re越大 電路的工作點(diǎn)將下移 為什么 電路電壓放大倍數(shù)下降 為了使Re有較高的數(shù)值 又能保證各管子有合適的工作點(diǎn) 在發(fā)射極電路中接入 Ee 用來(lái)補(bǔ)償Re上的電壓降 以保證晶體管有合適的工作點(diǎn) 靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算 由圖可知 決定基極電流的主要因素是輔助電源和射極電阻 因此 不用基極電阻也可以建立合適的工作點(diǎn) 差模放大倍數(shù)Ad差模放大倍數(shù)與單管放大倍數(shù)相同 即 其中Rs為信號(hào)源內(nèi)阻 對(duì)于雙端輸入單端輸出的差動(dòng)放大電路 其差模放大倍數(shù)為 共模放大倍數(shù)Ac 對(duì)于雙端輸入單端輸出的差動(dòng)放大電路 其共模放大倍數(shù)為 由此可見(jiàn) Re越大 其抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng) 輸入 輸出電阻輸入電阻 Ri 2rbe輸出電阻 雙端輸出時(shí) Ro 2Rc 單端輸出時(shí) Ro Rc 4 性能 共模抑制比 差動(dòng)放大器有效地放大差模信號(hào)的同時(shí) 對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制作用 差模放大倍數(shù)越大 共模放大倍數(shù)越小 則共模抑制能力越強(qiáng) 放大器的性能越好 將差模放大倍數(shù)與共模放大倍數(shù)的比值 稱為共模抑制比 用KCMR表示 雙端輸出的共模抑制比為 理想的差動(dòng)放大電路 AC 0 因而KCMR 5差分放大器的輸入 輸出方式 1 雙端輸入雙端輸出 3 單端輸入雙端輸出 4 單端輸入單端輸出 有四種方式 2 雙端輸入單端輸出 由于差分放大器選用的是直接偶合方式 它是集成運(yùn)算放大器的基礎(chǔ) 在下一章具體介紹 3 單端輸入雙端輸出 4 單端輸入單端輸出