第一章 医学电子仪器与基础电子电路 医学电子仪器的特点 医学电子仪器的分类 半导体器件的基础知识 生物医学放大电路 电子振荡电路 直流稳压电路 数字逻辑电路

1.4 生物医学放大电路 放大器的一般概念 放大器的主要功能是不失真地放大电信号。如雷达、电视、广播等接收到的信号都十分微弱，经放大器放大后才可显示、量测和做其他处理。又如自然界许多待测、待控的非电物理量，如温度、压力、位移、声音等，经换能器（也称传感器）变换为电量后也需要放大器放大。可以说，放大器是电子设备中必不可少的最常用、最基本的单元电路。

放大器一般由多级构成，前面若干级为前置电压放大器，用于放大信号电压，最后是功率放大器，用于得到较大的信号功率去驱动负载，如继电器、扬声器、仪表、电机等。放大器根据用途可分为电压放大器和功率放大器，根据工作频率放大器又可分为直流放大器和交流放大器。此外，根据电路结构还可分为分立元件放大器和集成放大器，目前，在直流及中、低频范围，集成放大器的应用最为广泛。

“放大”的实质是用微弱的（信号）能量控制较大的能量传输。由于集成电路的普遍应用，针对放大器而言，人们越来越关注它们的外部特性，即输入输出特性。各种放大器均可用双端口电路框图表示。图中，US、IS及RS表示需要放大的信号，Ui表示放大电路的输入电压，UO表示输出电压，RL表示放大器所驱动的负载电阻。为描述和评价放大器性能的优劣，引入了输入电阻、输出电阻、电压放大倍数、通频带一些动态性能指标。

1.输入电阻ri 放大器对于信号源而言，相当于一个负载，在中频范围内可等效为一个电阻，即为输入电阻ri，ri=Ui/Ii。放大器工作时必须从信号源取电流，所取电流的大小表示了放大器对信号源的影响程度，当信号源内阻为Rs时，Rs与输入电阻形成分压器，即Ui/Us=ri/(Rs+ri)，显然，输入电阻ri越大，放大器从信号源所取电流越小，Ui越接近Us，因此输入电阻ri越大越好。

2.输出电阻ro 放大器对负载而言，相当于一个信号源），根据等效电源定理，放大器的输出特性可等效为一个电压源，其内阻即为放大器的输出电阻，用ro表示。对于负载而言，放大器的输出电阻ro越小，负载电阻的变化对输出电压Uo的影响越小，放大器带负载能力越强，因而总希望ro越小越好。

3.电压放大倍数Au 电压放大倍数Au是衡量放大器放大能力的一个指标，规定输出电压的变化量与输入电压的变化量之比为电压放大倍数Au，即Au=△Uo/△Ui，当放大电路电流电压为正弦量时，电压放大倍数就是输出电压相量与输入电压相量之比，即Au＝U0/Ui=Au∠φ。

综上所述：电压放大倍数Au是评价放大器放大能力的一个主要指标，为了减小信号内阻Rs对放大倍数的影响，应尽可能提高输入电阻。为减小负载电阻RL对放大倍数的影响，应尽可能减小输出电阻ro。因此对电压放大器的基本要求是要有足够高的电压放大倍数和尽可能不失真的输入信号的变化。

生物医学信号的特点及对放大器要求 携带生物信息的信号称为生物信号。其中生物电信号是由于人体内各种神经细胞自发地或在各种刺激下产生和传递的电脉冲，肌肉在进行机械活动时也伴有电活动所产生的信号，如心电、脑电、肌电等。非生物电信号是由于人体各种非电活动产生的信号，如心音、血压波、呼吸、体温等。医学中还常通过在人体上施加一些物理因素的方法来获得生物信号，如各种阻抗图，它以数十千赫交流电通过人体的一定部位，获得阻抗或导纳变化的波形图；又如超声波诊断仪器，它向人体发射脉冲式的超声波，通过回波方式获得的生物信号。另外还有通过在体外检测人体样品的仪器、生理参数遥测仪器和放射性探测仪器等获取的生物信号。上述诸多的生物信号被统称为生物医学信号。

生物电信号的频带主要在低频和超低频范围内，因此要求放大器有较低的频响，甚至是直流放大器。通常生物电信号的幅度较低，只有毫伏级甚至微伏级，而普通的电子元件的噪声相当于数微伏无规则电压，为了使生物电信号不被噪声淹没，放大器的前级必须选用高质量的电阻和电容，低噪声的场效应管，电源也要采取特殊稳定的措施。另外生物电信号的整个频带中要求放大器的放大倍数稳定、均匀，在信号幅度范围内具有良好的线性。对于生物电放大器来讲，电压放大倍数一般都较高。放大倍数越高，保持稳定就越困难。为了使输出波形不失真，必须采取一定的电路技术，如负反馈放大技术。

生物体的阻抗很高，这意味着生物信号源不仅输出电压幅度低，而且提供电流的能力也很差，因此要求生物电放大器的前级必须具有很高的输入阻抗，以防止生物电信号的衰减，但高输入阻抗易引入外界干扰，特别是市电50Hz的干扰。50Hz的市电干扰作为一种共模干扰，可以通过提高放大器的共模抑制比来抑制这种干扰。

生物电信号的信噪比较低，这是由于生物体内各种无规律的电活动在生物电信号中形成噪声，有些生物电信号被其他更强的电活动所淹没，如希氏束电图H波，只有1～10μV，比心电信号弱得多，再有胎儿心电信号的幅度约为5μV，比母体心电信号弱很多，使噪声电压超出生物电信号电压。当无用信号掩盖了有用信号时，提取这些电信号就需要借助于微弱信号检测技术，这部分内容可参看相关书籍。

总之，为适应生物医学信号频率较低且频带较宽、阻抗较高且幅度较低和信噪比较小的特点，必须选用低截止频率、高输入阻抗、高共模抑制比、高增益和放大倍数稳定的放大器。

常用滤波电路 根据生物医学信号特点及生物电信号进入放大器前还要混入干扰的具体情况，一般在放大器等处理装置前加有滤波器。所谓滤波器就是一种使有用信号顺利通过，而使无用信号被消除或衰减的电子电路。在滤波电路中必须包括与频率有关的元件如电容和电感。生物医学仪器中的滤波电路，通常由电容器和电阻器组合而成。 在滤波理论中，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把消除或衰减的信号频率范围定义为阻带。通带和阻带的界限频率，包括下限频率和上限频率。

1. 高通滤波 高通滤波只允许信号中高频成分顺利通过，且衰减很小，而消除或减弱低频噪声。上图为典型电路及其频率响应特性，从中可以看出，频率很低的成分将被衰减，而高频成分可以顺利地通过，且相位也不改变。图中fL为下限频率，fH→∞。

2.低通滤波器 与高通滤波器相反的低通滤波器，只允许信号中的低频成分顺利通过，且衰减很小，进而达到消除或减弱混在信号中的高频噪声的目的。图中fH为上限频率，fH=1/(2πRC)。

3. 带通滤波 带通滤波器就是只允许通过一个频带中的信号成分，而在这个频带之外的信号成分则被衰减。其电路由高通滤波和低通滤波共同组合而成，频率特性如图1.23所示，fH-fL为其通频带的范围。电路的重要参数是品质因数Q，定义为： 当Q值低时，此电路的选频本领小，允许较宽的频带范围的生物医学信号通过，称宽带滤波；当Q值高时，此电路称为选频电路，其选频本领大，只允许较窄频率范围的信号通过，称窄带滤波 。

晶体管基本放大电路 用一个晶体三极管构成的放大电路称为单管放大电路，它是其它类型放大器和多级放大器的基本单元电路。晶体三极管构成放大电路时，根据其在交流信号电路中哪个电极作为输入和输出回路的公共端来区分有三种基本连接方式，即共射极放大电路、共集电极电路和共基极电路。

对放大电路的分析，有静态、动态之分。未加交流输入信号的放大电路中只有直流，处于静态。放大电路在交流输入信号作用下的工作状态称为动态。 对于放大电路的静态分析，主要确定其静态直流值，即确定电路中的基极电流IB，集电极电流IC和集电极与发射极间的电压UCE。这组数据在晶体三极管的输入、输出特性上代表了一个点，称之静态工作点，用Q（IB、IC、UCE）表示。合适的静态工作点的设置是保证放大电路不失真放大信号的必要条件。 动态分析是在已设置了合适静态工作点的前提下，分析放大电路中交流信号传输变化的过程，及计算电压放大信号倍数AU、输入电阻ri、输出电阻ro等。

1.共发射极放大电路的组成 集电极电源EC为放大电路提供能量，还保证晶体管的集电结反向偏置，集电极电阻RC将集电极电流的变化变换为电压的变化，实现电压放大。基极电源EB和基极电阻RB的作用是使发射结正向偏置，并提供大小适当的基极电流IB。耦合电容 C1和 C2的作用是“隔离直流，耦合交流”。

电源EB通常可省去，将RB改接至EC，通过调整RB的阻值仍可保证发射结正偏，产生合适的IB。另外，在各种放大电路中，通常把公共端作为接“地”点，设其电位为零，作为一电路中其它各点电位的参考点。为简化电路的画法，通常不画电源EC的符号，而是在电源正极的一段标出它对地的电压值VCC和极性。

2.静态分析 在无输入信号作用时放大电路的工作状态称为静态，此时电路中的电压、电流都是直流量，所谓静态分析，就是确定电路中的静态值IB、IC和UCE，可用放大电路的直流通路来分析计算。画直流通路时，只要把C1和C2视作开路，去掉信号源和负载，剩下的部分即为直流通路。有以下结果：

3. 动态分析 放大电路有输入信号时的工作状态称为动态，此时电路是在直流电源VCC和交流输入信号共同作用下工作，电路中的电压、电流除了包含直流电源产生的直流分量外，还包含交流输入信号ui产生的交流分量。动态分析就是分析交流信号的工作情况。动态分析的基本方法为微变等效电路法和图解法。

图解分析法是利用晶体管的特性曲线，通过作图的方法来分析放大电路的工作情况，可以直观地看出放大电路中各个电压电流在ui信号作用下的变化情况，下面以共发射极放大电路的组成为例，介绍图解法的分析过程

(1)根据静态分析，作出直流负载线，求出静态工作点Q。(IC=VCC/RC-UCE/RC ) (2)设输入信号电压ui=0.02sinωt(V)，经C1的耦合作用叠加在基极发射极之间，即uBE=UBE+ui=0.7+0.02sinωt(V)，根据其变化规律，在输入特性曲线上找到uBE的最大值0.72V和最小值0.68（即Q1和Q2两点），并画出iB的波形。在图中看出，uBE以Q点为中心上下移动，引起基极电流iB也按同样规律变化， 即iB=40+20sinωt(μA)。

(3)根据iB的变化规律，在输出特性上可以求出iC和uCE。它们既要符合晶体管的输出特性曲线，又要符合UCE=VCC-ICRC的直线关系。所以当iB变动时，直流负载线与输出特性的交点也会随之而变，即为Q1、Q2点，放大电路在负载线的Q1Q2段上工作，此段常称为动态工作范围。

由图可见，在ui正半周，iB先由40μA增大到60μA，工作点由Q点移到Q1点，相应地iC由2mA增大到最大值3mA，而uCE由6V减小到最小值3V；然后，iB由60μA减小到40μA，工作点由Q1回到Q2点，相应地iC由最大值3mA回到2mA，而uCE由最小值3V回到6V。在ui负半周，其变化规律恰好相反，工作点由Q点移到Q2点，再由Q2点回到Q点。这样，根据iB的波形就可画出iC和uCE的波形。

由于C2的隔直作用，uCE的直流UCE不能输出，只有交流分量能构成输出电压uo，注意uo与ui相位相反，这称为放大电路的反相作用，因而共发射极放大电路又叫反相电压放大器。

4.非线性失真 对放大电路的一个基本要求就是尽可能不失真地传输信号。所谓失真，是指输出信号的波形不像输入信号的波形。引起失真的原因有许多，其中静态工作点设置不合适是一个主要原因，这使得放大电路的工作范围超出特性曲线的线性范围。这种失真通常称为非线性失真。

饱和失真 静态工作点Q点设置偏高，Q’进入饱和区，造成输出波形负半周出现底畸变，称为饱和失真；

截止失真 静态工作点Q点设置偏低，则Q”进人截止区，造成输出波形的正半周出现畸变，称为截止失真。

要使放大电路不产生非线性失真，必须要有一个合适的静态工作点。将工作点设置在线性放大区的中部，可以避免非线性失真，限制输入信号的大小，也是避免非线性失真的一个办法。

多级放大电路 在实际应用中，现场采集到的信号很微弱，一般为毫伏、微伏级，功率常在lmW以下，这就要求放大电路有足够高的电压放大倍数，把输入信号放大到需要的电压和电流，以推动负载工作。单个基本放大电路是不能满足这个要求的，需将若干个基本放大电路串接起来，组成多级放大电路。在多级放大电路中，每两个单个基本放大电路之间的连接称为级间耦合。耦合的方式通常有：阻容耦合、直接耦合。多级放大电路总的电压放大倍数是各级电压放大倍数的乘积，其输入电阻是第一级的输入电阻，输出电阻是最后一级的输出电阻。

阻容耦合 阻容耦合就是指级与级之间通过电阻和电容进行连接。其耦合特点是：由于级间用电容连接，电容的“隔直通交”作用使得两级静态工作点彼此独立，互不影响。这对于电路的设计和计算较为方便，但这种方式对于直流信号或变化缓慢的信号的传送是不适合的。另外，大容量电容在集成电路中难于制造，因而在集成电路中这种耦合方式无法采用，因此阻容耦合方式在分立元件多级放大电路中应用较为广泛。

直接耦合 直接耦合是指级与级之间不经过电抗元件而连接的方式。这种方式多用于传送直流信号和变化缓慢的信号。直接耦合的优点是低频特性好，易于集成；但它有两个突出的缺点，一是级与级之间的静态工作点互相影响，二是零点漂移的问题。

由图中可见，前级的集电极电位等于后级的基极电位，前级静态工作点的变化必然影响到后级的静态工作点，而后级的变化也同样会影响到前级，彼此之间不是独立的。因此在直接耦合放大电路中必须考虑前后级之间相互影响的问题，既要保证能够有效地传递信号，又要使每一级有合适的静态工作点。

在多级直接耦合放大电路中，当输入信号为零时，其输出电压本应保持不变，或亦为零。但实际上输出电压往往会偏离原来的起始点而上下波动，即输出端会有缓慢变化的电压产生，这种现象就为零点漂移，简称零漂。当放大电路有输入信号时，这种漂移与信号共存于放大电路中，当漂移量大到可以和信号量相比时，放大电路将产生严重的失真，无法正常工作。因此，抑制零点漂移是制作高质量放大电路需要解决的一个重要问题。引起零漂的原因有很多，其中主要是温度变化的影响，在多级放大电路中，任何一级都有零漂，其中，第一级零漂的影响最为严重。

抑制零漂的方法有多种，如将放大电路的第一级置于恒温槽中；在发射极串入电阻；采用热敏电阻进行温度补偿等。其中最理想的办法是用两个相同的放大电路相互补尝，组成一种新型电路：差动放大电路。