脑电放大器设计报告
（直流供电）
指导老师：李刚教授
精密仪器与光电子工程学院
04级生物医学工程二班
陈露诗3004202341
2006－12－26
脑电放大器（电池供电）设计报告
3004202341－２－陈露诗－2007
一、设计目的与意义
１）脑电概述
脑电信号是与反映大脑神经活动有关的生物电位，由皮层内大量神经元突出后电位同步总和所形成的，是许多神经元共同活动的结果。
对它进行检测可用于神经诊断和认知生理心理学研究，以及康复领域。现在已明确，在头皮上引导的脑电波振幅，在正常情况下，从波峰到波底为5~200μV（而从大脑皮层上引导的电位变化可达到1mV）其频率范围从小于1Hz到100Hz，波形因不同的脑部位置而异，并与觉醒和睡眠的水平相关，且存在很大的个体差异，也就是说脑电波在不同的正常人中也存在着不同的表现。因而脑电信号放大和采集的实现仍是一个难题。而实现脑电信号放大的主要困难在于高增益放大的同时去除各种干扰。
通过电极和导线从头皮上或者从大脑皮层上直接将大脑产生的节律性电位变化，传送至特制的记录装置——脑电图机上记录下来，形成动态曲线，这就是通常称为的脑电图（electroencephalogram,EEG），脑电图反应了大脑皮质的自发脑电活动。
图1－1脑电机框图
由于脑电信号非常微弱，通常在μV量级，所以脑电放大器的前置放大器应有较高的要求，应由较低的输入噪声（3μVp-p）、高增益（500～10000倍）、高共模抑制比（应大于80dB）、低漂移和高输入阻抗（≥10MΩ）等要求。通常脑电前置放大器采用三运算放大器电路，采用低噪声场效应管作为输入级，用同向输入方式，以确保高阻抗和低噪声。
脑电图机的主放大器包括后级放大及功率放大，以获得足够的功率输出。为了实现脑电信号的放大以便于观测，我设计的脑电放大器重点在设计上图虚线框里的部分。
２）脑电信号分析
脑电图是一种随机性的生理信号，其规律性远不如心电图那样明确，通常将脑电图的振幅和频率成分作为脑电诊断的主要依据，而频率成分显得尤为重要。因为大脑活动的程度与脑电图节律的平均频率之间有密切的关系。
一般将正常脑电活动相关的脑电波频率范围划分为五种类型，频率由高到低，依次为γ波、β波、α波、θ波、δ波（表2-1）
表2-1 脑电图中各波的频率范围和幅值
３）设计目的
实现对正常人脑电信号的放大，查明脑电图中各类波的比例，并观察比较不同频率的脑电信号的波形、强弱特点。
二、系统设计
设计模块
单运放OP07运放放大器组成并联型差动放大器。在运算放大器为理想的情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大。阻容耦合电路放在由并联型差动放大器构成的前级放大器和由仪器放大器构成的后级放大器之间，这样，可为后级仪器放大器提高增益，进而为提高电路的共模抑制比提供了条件。同时，由于前置放大器的输出阻抗很低，还采用了共模驱动技术，避免了阻容耦合电路中的阻容元件参数不对称导致的共模干扰转换成差模干扰的情况发生。50HZ工频陷波采用了可调Q值的双T型网络，以实现高精度的陷波。后级放大采用两个反相器级联。为了有效抑制干扰，还采用了多芯屏避电缆。
前级放大倍数为500倍，由并联型差分输入电路与前置主放大共同作用实现。其中信号经过并联差分放大5倍，然后再经过AD620放大100倍。后级放大20倍，由两个反相器串联实现。由于我的设计目的是为了观察脑电信号波形的差异，为了尽量减少不必要频率的信号对观测造成干扰，即为了尽量抑制噪声，我选择将信号频率带宽设为0.5HZ～35HZ。在调试电路中，先经过仪表放大器对来自头皮电极的脑电信号进行前置放大。然后，对放大过的信号进行低通滤波及补偿、50HZ工频陷波和后级放大调整后进入示波器进行观察。
2
121221221121lg 201CMRR d CMRR CMRR d c
d
d c d c d CMRR CMRR CMRR K A K K A A A A A A A A K K K +=?=?=?=
?=即：三、单元电路的设计
1.无源高低通滤波与前置放大 参数选择
● 无源高通滤波(阻容耦合电路)：截止频率fc=
339.010147014.321
213
=????=-RC πHZ ： 参数选择：R6=R7=470k Ω，C1=C2=1μF ● 前级放大增益设置：
前置放大电路的增益主要有两部分组成，第一部分是差分放大电路，第二部分是仪用放大器。由于电极噪声的存在，差分放大电路的放大倍数不宜太大，在这里设置为5倍左右，后面仪用放大器设置为100倍左右：K1=1+2R1/R3=5；K2=49.6K Ω/RG+1=100； 参数选择：R1=R2=82K Ω,R3=39K Ω;RG=500Ω ● 共模抑制比：
● 右腿驱动电路：为了减小位移电流的干扰并减小共模电压采用了右腿驱动电路。从图中
可以看到右腿这时不是直接接地，而是接到辅助放大器的输出，从R4、R5两电阻接点检出的共模电压经放大器后，再通过Ro 反馈到右腿。人体的位移电流这时不再流入地，
而是流向Ro 。Ro 在此起安全保护的作用，当人和地之间出现较大的电位时，辅助运放饱和，相当于地，Ro 此时起限流保护的作用。电路由U3、R5、Rf 、C5、R0组成，C5的作用是使右腿驱动电路稳定。R0=100K Ω，Rf=10M Ω，R5=10K Ω，C5=4.7μF 。 当辅助运放不饱和时，
所以，采用右腿驱动电路可以减小人体与地之间的共模电位。共模电压为V cm =R cm ×I d ；共模等效电阻为R cm =R 0/（1+2R F /R9），在选择参数时要尽量减小共模等效电阻。 ● 共模取样驱动电路：由两个等值电阻R6、R7和运算放大器U3（LM324）跟随器构成。
U3的输入信号取自U1和U2输出端和两个串联电阻R6、R7的中点电压Vc ，即Vc=
()212
1
Vo Vo +当只有差模信号的输出Vo1=-Vo2时，有Vc=0。则运放A3的输出电压为零，等同于接地：而当兼有共模电压和差模信号输入时，U3的输出只包含输入信号的共模部分Vc=
)(212
1
Vi Vi +从而使得共模信号不经阻容耦合电路的分压直接加在集成放大器的输入端，避免了由于阻容耦合电路的不匹配而降低电路整体的共模抑制比。 ● 放大器U4选用AD620；U1、U2选用具有高输入阻抗的放大器OP07；U3选用LM324；
AD620是高增益高输入阻抗的精密仪用放大器，可供电范围±2.3to ±18V ，双端供电范围广，易调节；MAX4194双端供电范围为±2.7to ±3.3V ，不在此范围内的供电电压都难以使MAX4194正常工作，单端供电5V ～18V ，但双端供电因为涉及到信号地较为麻烦，而且设计电路经常需要调试，多次使用或不慎使用很易造成其烧毁。故虽然MAX4194具有轨至轨输出、高增益调节、低噪声、低漂移等优良特性，但与AD620相比，我还是选择了后者作为我的主放大器。 ２、低通滤波：
9
21,R 2R 04c
94F
549594R R R I R V V R I V V R V R R R V R R V R R V F d o c o o d c o F o c c ++
=
+=+-===++++所以又因为，）所以，（
本设计要求滤波器的陡度系数要高，即波形要下降的速度较快。要求通带截止频率ωp=35HZ ，通带内增益K=500且保持平坦，在阻带截止频率ωr=50HZ 处至少衰减20dB ，
=+=
+=
=
+=
n )
35/50(1k )
c /r 1k A ,2
)
/(1)(2n
2n
2算得（）（即ωωωωωωk c k c A n
4.7，因此滤波器至少
应设为五阶。
方案一：六阶巴特沃思低通滤波器 ● 设置低通滤波的截止频率为35HZ 。 ● 归一化值：
C1=1.035F,C2=0.9660F,C3=1.414F,C4=0.7071F,C5=3.863F,C6=0.2588F ； R1=R2=R3=R4=R5=R6=1Ω ● FSR=2πfc=628;Z=104 ● 去归一化后的标称值
C1=470nF ，C2=470nF ，C3=680nF ，C4=330nF ，C5=2.2μF,C6=0.1μF ； R1=R2=R3=R4=R5=R6=10K Ω 测试结果
● 如右图所示：可从图中看出输出波形有波纹，且50HZ 频率的输入信号的输出波形幅值约
为100mV 。通带截止频率为35.56HZ ● 测试数据为：
方案二：用集成芯片MAX280
本方案采用MAX291,其电路图如左图, 电容C 的计算公式： 时钟信号计算公式：
Fosc=100fc
经R 、C 调整后，可按如下公式选取
参数选取：R=17.1517K （真实值17.5K ）；
C=0.47μF （真实值0.465μF ）；Cosc=1410.75PF （真实值1500PF ） 测试结果：通带截止频率为34.36HZ
频率/HZ 1.52 13.64 20.06 34.36 39.91 49.97 60 79.98 90.06
100
幅值/V
1 1
0.976 0.706 0.406 0.144 0.058 0.015 0.009 0.006
可见由MAX280组成的低通滤波电路不仅电路结构简单，而且滤波曲线光滑。本设计采用此设计方案。
３、50HZ 陷波器 参数选择：中心频率fc=RC
π21
；品质因素：Q=
)
1(41
K -，Q 值不易选太大，
否则易产生自激，一般选十到几十左右取Q=20，K=0.975；
C1=C2=0.1μF ，C3=0.22μF ；
R1=R2=30K Ω，R3=15K Ω，R4‘为10k 电位器，R4=100K Ω。
４、后级放大
电路图如右图所示：采用反相放大器进行后级放大。前端加有电容，隔直用。放大器正输入端接有平衡电阻，减少直流偏置。
MAX280五阶低通滤波
00.20.40.60.811.20
50
100
150
频率/HZ 幅值/V
运放电压跟随器法电路图
1）测心电用：增益A1=-R2/R1=-2；
参数选择：C1=1μF （真实值0.712μF ），R1=508K Ω，R2=992K Ω，平衡电阻为R3=R1//R2=326K Ω。高端截至频率为：0.44HZ 。 ２）测脑电用：增益A2=-R2/R1=-20；
参数选择：取R1=220K Ω，R2=4.7M Ω，平衡电阻为R3=R1//R2=210K Ω；C1=2.2μF 。 ５、电源设计
方案一：利用四节干电池供电，中间接地，将另一端j 拉至-3v 。此方案实现较为简单，但电池节数太多，不利于整机携带。所以可选电池盒来双端供电。
方案二：采用单电源供电，可减少电池节数，但
需要单独引地线较为麻烦。因为选用的前置主放大器芯片是
MAX4194，其双端供电电压为±2.7～±3.3V ，不在此范围内的供电电压难以使之工作，对于电池供电很难保证电池电压在此范围内，所以考虑到使用单端供电。供电方法如图所示： 由于采用单端供电，产生了一个幅值为Vcc ／2的偏置电压，可以获得最大的输出动态响应范围。（此处放大器的接地端为信号地）
６、稳压电路：用集成芯片实现稳压。MAX603可实现1.25V-11V 的稳压输出。
四、总结
1．在前级放大之前不宜加无源高通滤波。如果输入端设置电容隔置电路，势必会破坏输入端的平衡，使共模抑制能力下降。前级放大采用并联型差分输入以提高输入阻抗和共模抑制比；还采用了右腿驱动电路以减小共模输出。
2．为了减小50Hz 交流电对共模信号的干扰，采用右腿驱动电路：即人右腿不直接接地，而是通过限流电阻与驱动放大器相连，当病人和地之间，由于漏电或其它原因出现高电压
性能说明：
? High-Power (1.8W) 8-Pin SOPackage
? Dual Mode? Operation: Fixed or Adjustable Output from 1.25V to 11V
? Large Input Range (2.7V to 11.5V)
? Internal 500mA P-ChannelPass Transistor ? 15μA Typical Quiescent Current ? 2μA (Max) Shutdown Mode ? Thermal Overload Protection ? Reverse-Current Protection
时，右腿放大器立即饱和，这相当于病人不直接接地，减少了电击的危险。陷波器采用可调Q值和可调中心频率的双T型陷波网络，避免了陷波不彻底及陷掉其他频率波形的弊端3．将导联线互相绞合，减少引线环路面积，空间磁感应干扰。
4．由于导线屏蔽层与芯线间的分布电容不对称性，故屏蔽导联线总长不应超过3米。5．为了保证稳定的直流输入，采用了反馈调节的稳压电路，可以达到较好的稳压效果。6．放大电路利用了仪器放大器的共模抑制比和增益的关系。结合右腿驱动电路、单片集成滤波器，实现了放大器的高性能。
附图：AD620管脚图及其性能：(双电源供电)
●低失调电压：最大50μV
●低漂移：最大0.5μV/O C
●低输入偏置电流：最大2nA
●高共模抑制比：90dB以上
●输入保护最大可承受电压：±40V
●宽供电范围：±2.3——±18V
●低静态失调电流：700μA
OP07管脚图及其性能
LM324系列
集成运放是
4组独立的
高增益的、
内部频率补
偿、输入偏
置电流是温度补偿的、单位增益带宽是温度补偿的
运算放大器，它既可以单电源使用，也可以双电源
使用，电源电压可以从+5V一直用到±15V，而且驱
动功耗低，每一组运放差模增益可达到100dB。