Gain of the Op Amp Inverting input amplifier Integrator Differentiator Noninverting input amplifier Differential amplifier Three operational amplifier

生物电放大器的设计考虑 生物电放大器的形式（差分放大器） 生物电放大器的增益设置（多级放大） 电极电位的考虑 工频干扰的产生与消除 接地 屏蔽（人体屏蔽和导线屏蔽） 提高输入阻抗（提高信噪比） 减少电极阻抗 屏蔽驱动 右腿驱动 信号线绞合 滤波

右腿驱动电路 D1和D2组成的电路的共模增益为1，在a、b处的共模信号V’c与被测体上的共模信号Vc相等，Vc=V’c。Vc=idbRo+Vo则：

右腿驱动电路 直接接地Vc=idbRG 使用右腿驱动可使共模干扰减少（1+2Rf /Ra）倍。 Ro是一个比较大的值，它的作用是在D5饱和时流过人体的电流仍是安全的，如10A以下，因此Ro的存在也会抵消右腿驱动电路的作用。

Magnetic-field pickup

Electrostatic shielding eliminate capacitive coupling from the sources

滤波 对于信号的感兴趣频段都是低频时，可以使用低通滤波器将高频。 如果有用信号的频段包括工频时，可采用工频陷波器来抑制工频干扰。 为了提高滤波性能，工频滤波也可以在转换成数字信号以后进行。

电气隔离 目的： 保证病人安全。 当人体因漏电等原因与市电（如220V）接触，由于仪器与病人相连的应用部分是与仪器使用市电的电路部分电气隔离的，电流i不能构成回路，因此病人是安全的。 电气隔离：信号通路隔离+电源供应隔离。

信号通路电气隔离的方式 变压器隔离 电容隔离 光电隔离 信号调制 （500kHz） 隔离器件 同步解调

配对光电管隔离 输入运放A1上的发光二极管CR1和光电二极管CR2组成负反馈，所以i1=vi/RG。两个光电二极管是配对的，产生相同的光电效应，i2=i1=ii。运放A2实际上是一个电流–电压转换器，vout=i2RK，所以，vout=viRK/RG。电路的线性仅取决于光电二极管的一致性。

DC-DC转换器 电气隔离电路常称为“浮地”电路。除了信号和电源要隔离以外，所有对隔离级的控制线也进行电气隔离。 V’+ DC-DC V+ V’- 注意两个运放的供电是不同的，V又一起电源直接供电，而V‘一般是由V通过DC-DC转换器提供的。转换器实际上是将一起电源提供的直流电斩波成400到900kHz的方波，通过变压器线圈后再整流成直流电提供给隔离部分，V和V’之间的电能是靠磁场传递的，没有直接的电气连接，两者的接地也是没有连接的。

数字电路的隔离 以上信号通路的电气隔离都是在模拟部分进行，实际上随着元器件的集成度提高和耗电量的减少，可以将光电隔离放在A/D转换之后，也即对各总线进行隔离。由于仅有0、1两种状态，光电转换就没有线性问题。对放大器前级的控制也更加方便。

高电压保护 有可能同时使用除颤器或电刀等设备，这会在电极之间形成高压冲击，造成仪器设备的破坏。所以，生物电放大器还需对此有保护，除了保护设备以外，也间接对病人提供保护，因为仪器的输入级受损后有可能会产生有害的电流。 限压和限流器件

信号采集（A/D转换） ADC中的两个主要过程： 采样 量化。 将连续的模拟信号转换成离散的数字信号有可能会造成一定的失真和误差，信号采集必须将这种失真和误差控制在适当的范围之内 与信号调理有关的主要考虑采样频率和量化误差。

采样的时间间隔 采样是指每隔T秒所记录的x(t) 的幅值。设x(t)是模拟信号，将采集到的幅值用x(kT)表示，其中k表示数据序列中的采样位置，k=0,1,…N-1，（N是数据序列总的采样数）。T称为采样间隔，采样率为1/T（Hz）。

采样定理 采样率必须符合相农(Shannon)采样定理，即对于连续信号f(t)，采样频率fs必须大于或等于信号的最大频率fmax的两倍，即fs≥2fmax。fs/2称为纳奎斯特频率（Nyquist frequency）。 由于在实际的生物电信号检测分析中，信号中往往混有高频噪声，需要用低通滤波器滤除信号中的高频成分以保证没有高于纳奎斯特频率的成分，而且采样频率一般取信号最高频率的3-5倍，甚至10倍。

采样率过低造成的信号失真

量化和量化误差 量化就是用有限长度的二进制数来逼近离散的模拟信号 由于量化的结果是把尾数按四舍五入处理，对于有m位、输入电压范围是Vmax的A/D转换器，有0至2m-1共2m个等级，每个等级的增量为δ=Vmax/2m-1，那么，量化的最大误差就是emax(nT)= δ/2。 当输入信号的电压范围为10V，8位A/D转换器的分辨率是：

量化噪声的方差和有效值 假设量化噪声与被量化的模拟信号是统计独立的，而且概率密度是均匀分布的，则量化噪声的方差为： 如果用12位A/D，Vmax=5V，那么， 量化噪声的有效值 A/D转换器的位数越长则量化噪声越小，精度越高。

量化中的信噪比 即输入信号幅度与量化噪声的有效值之比。 在A/D的位数确定的情况下，使输入信号的幅值尽可能接近A/D的输入范围Vmax，就可能获得尽可能大的信噪比。这就是为什么需要根据采样的要求来确定生物电放大器的增益。

24位ADC，如果Vmax=10V δ=Vmax/2m-1=0.6μV。 它能够给我们带来什么？

生物电放大器的技术指标 共模抑制比 频率响应 时间常数 灵敏度 噪声 输入阻抗 其它：走纸速度、线性度、阻尼、电安全性能。

共模抑制比 　　可表示为CMRR=Ad/Acm，其中Ad为系统总的差模增益，Acm为系统总的共模增益。 　　共模抑制比常用分贝（dB）表示，即CMRR=20lg(Ad/Acm)，该值体现了仪器的抗共模干扰的能力。心电图机的共模抑制比至少要求为60dB，现在一般都能做到100dB以上。

频率响应 频率响应反映的是仪器对不同频率的信号的不同的灵敏度，要求心电图机对0.1到25Hz的频率范围内的信号，频率响应曲线必须是平坦的（<±0.5dB），截止频率是指灵敏度下降到70.7%（-3dB）时的频率。 频（率）响（应）范围是指高频端截止频率（fH）和低频端截止频率（fL）之间的通频带范围。对于诊断用的心电图机的频响要求是0.05－100Hz，对监护用的心电图机则频响要求可低些，如0.1－40Hz。

心电记录的频响要求 临床使用要求/环境 频响要求 诊断 0.05 – 100Hz 监护(Monitor) 0.5 – 40Hz 使用电刀(ESU) 0.5 – 20Hz

时间常数 时间常数反映的是仪器的低频截止频率（fL），由于频率低的信号要几秒钟、甚至十几秒才一周，难以测定，实际测定时是将生物电测量系统的低频特性看作一阶高通，用记录一个标准的阶跃信号幅度下降到λ=37%时所需的时间（t）来反映fL， 对于心电图机，用1mv的标准信号测量，要求t >3.2秒。

灵敏度 　　对心电图机至少分三档：×0.5，×1，×2，即5mm/mv，10 mm/mv，20 mm/mv三档。

噪声 放大器的噪声一般是指在输出端测得的、折合到输入端的噪声幅度。通常是在输入端为0电平时（输入接地）测量输出端的噪声峰–峰值或有效值，除以放大器的增益极为放大器的噪声。噪声与放大器的通频带大小有关。选用噪声小的前置放大器，可以做到在0.5- 100Hz 范围内噪声小于lV p-p。

输入阻抗 输入阻抗应该至少是信号源内阻的10倍以上。由于提高输入阻抗有利于提高信噪比，很多生物电放大器能够将输入阻抗做到100MΩ。 由于微电极阻抗可达5~40MΩ，微电极前置放大器的输入阻抗应大于1000 MΩ。