第二章 生物电测量技术
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
2.2 生物电放大器
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。
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
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。
高增益： 生物电信号非常弱小：通常放大器的增益达500倍至1000000倍左右，针对不同的信号应选择不同的增益。
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。
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。
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。
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。
生物电放大器框图 Vout 隔离放大器 10-1000倍 前置放大器 10-50倍 高通滤波器 低通滤波器 + -
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）
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
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。
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
Packages dual in-line package (DIP) Ceramic Dual-in-Line Package (Cerdip) Small-Outline Integrated Circuit (SOIC) SOIC narrow; SOIC wide; mini SOIC
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。
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。
电极极化电压问题
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）。