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第二章 生物电测量技术
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Gain of the Op Amp Inverting input amplifier Integrator Differentiator
Noninverting input amplifier Differential amplifier Three operational amplifier 以上电路的特点、用途和增益计算公式复习
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2.2 生物电放大器
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生物电放大器基本要求 不影响所检测部位的生理功能； 测得的信号不能有畸变； 必须能将有用信号和干扰分离开来；
必须对可能的电击伤害提供有效的防护； 放大器本身应能经受得起除颤器、电刀等产生的大电流的冲击。
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生物电放大器技术特点 采用差分放大器 高增益 低噪声 高输入阻抗 合适的通频带 电气隔离和保护
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采用差分放大器： 只能测得两个电极之间的生物电的电位差值，
差分放大器仅对差模信号作正常放大，对共模信号有抑制作用。由于生物电信号在两个电极上是不同的，是差模信号，工频干扰信号在两个电极上的幅度和相位基本上是相同的，是共模信号。差分放大器可以对差模信号放大而对共模信号抑制。
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高增益： 生物电信号非常弱小：通常放大器的增益达500倍至 倍左右，针对不同的信号应选择不同的增益。
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低噪声： 由于信号弱小，放大器本身的噪声幅度必须远低于信号幅度，尤其是放大器的前置级噪声，它会与信号一起经后级放大器放大，因此，前置放大器的元件必须采用低噪声的。
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高输入阻抗： 生物电信号的信号源内阻很高，提高放大器的输入阻抗可以提高信号拾取的比例。
高输入阻抗也能减少因各电极阻抗不一致造成的共模干扰。因此，提高输入阻抗也能提高信噪比。
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合适的通频带： 通常是利用滤波器来完成。 高通滤波器可以用来消除电极电位漂移；
低通滤波器可以用来消除各种高频噪声，尤其是工频噪声及其谐波，也能用于限制信号的频宽以防采样时造成信号混叠。 不同生物电信号的频率范围不同，放大器的频率响应范围也是不同的。
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电气隔离和保护： 现代生物电放大器都采用隔离放大器，使得连接病人的放大器输入级（应用部分）与放大器后级完全电器隔离的。
电器隔离的主要目的是防止病人受到电击，同时，该技术对抑制电源干扰的影响也有一定的作用。
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生物电放大器框图 Vout 隔离放大器 倍 前置放大器 10-50倍 高通滤波器 低通滤波器 + -
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思考题 生物电信号有哪些，他们的信号特征是什么？ 生物电放大器的基本要求和技术特点是什么？ 生物电放大器应有哪些部分组成？
请考虑设计一个用于心电放大的生物电放大器。（先写出设计要求和技术指标）
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前置放大器 差分放大器增益： 差模增益：Gd1=1+2R2/R1， 共模增益：Gc1=1， 总增益：Gd=Gd1Gd2，
总的共模增益Gc为D3组成的差模放大器的共模增益，共模抑制比CMRR=Gd/Gc。 电路中的R1常被用来调节增益
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仪器放大器 instrumentation amplifier
有很多这样的集成电路芯片如AD620，INA118等，可以直接用来作为前置放大器。
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Low Cost, Low Power Instrumentation Amplifier AD620
EASY TO USE Gain Set with One External Resistor (Gain Range 1 to 1000) Wide Power Supply Range (±2.3 V to ±18 V) Higher Performance than Three Op Amp IA Designs Low Power, 1.3 mA max Supply Current
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Packages dual in-line package (DIP)
Ceramic Dual-in-Line Package (Cerdip) Small-Outline Integrated Circuit (SOIC) SOIC narrow; SOIC wide; mini SOIC
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噪声 噪声能量与温度、频带宽度、放大器的电流和电压噪声有关
采用低噪声的前置放大器芯片，已有芯片可以做到噪声电压小于 和噪声电流小于 。通常场效应管的运放的电压噪声较双极型晶体管的运放大，但电流噪声远远小于双极型晶体管的运放。 有限的频带宽度：使用滤波器限制频带宽度。 前级电路的噪声会被后级放大，这样就要求前级输出噪声小于后级的输入噪声，所以第一级元器件的噪声必须很低，而且增益足够大。
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电极电位 前置放大器的增益实际上受到电极电位的限制，一般允许两个电极之间的电位差达到300mV，如果放大器电源采用6V，那么放大20倍基线就处在饱和位置了。通常是采用隔直电容来解决这个问题 由于生物电信号中的一些成分接近直流或本身就是直流，如心电图的s-t段，所以这个高通滤波器的截止频率很低，如心电图机的低频端截止频率为0.05Hz。
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电极极化电压问题
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生物电放大器的滤波电路 高通滤波器：低频截止频率为fL=1/（2πRLCL）。
D4为RLCL电路提供了所需要的高输入阻抗，也有增益Gd4=1+RH/R5，而且还组成了一阶有源低通滤波器，高频截止频率为fH=1/（2πRHCH）。
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