《课程讲解》-2.1生物电放大器
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生物电子学_4_放大
u02 ui2 ui2 ui1 ui1 u01
RF
Rw
RF
得 : u02
(1
RF Rw
)ui 2
RF Rw
ui1
- u01
RF Rw
ui 2
(1
RF Rw
)ui1
解得 :
u0
u02
u01
(1
2
RF Rw
)(ui 2
ui1 )
第一级电压增益
:
Ad1
1
2
RF Rw
生物（医学）电子学
U CM
Zi
Zi Zs2
由于Z s1 Z s2 , 共模电压转化成差模电 压
若Zi Z s1或Z s2
则U A U B
U CM
Z s2 Z s1 Zi
若Z s1 Z s2 5K , Zi 1M , U CM 10mV
则U
A
UB
10V
生物（医学）电子学
7
差动放大器电路分析
理想情况
生物（医学）电子学
30
EMG, EP前置放大器和主放大器电路
生物（医学）电子学
31
说明
选择场效应低噪声运放器件构成前置级 合理分配增益：
第一级：增益较大，100 第二级：增益为2
运放输入端不附加额外电阻，以避免引入噪声 RF , Rw尽可能小 去极化电压电容C1和光电耦合级位于信号主通道，
加负载
GND
生物（医学）电子学
I in
22
2. 电磁耦合
即采用变压器耦合
放大
ui
浮置电源
调制
载波发生 直流电源
解调
放大
u0
生物医学常用放大器
反馈框图：
实际被放大信号
开环
输出 闭环
叠加
输入
±
反馈 信号
放大器 反馈网络 正反馈 负反馈
取+ 取-
加强输入信号 削弱输入信号
用于振荡器 用于放大器
负反馈的作用：稳定静态工作点；稳定放大倍数；提 高输入电阻；降低输出电阻；扩展通频带。
二、负反馈的方式
一、电压反馈和电流反馈 根据反馈所采样的信号不同，可以分为 电压反馈和电流反馈。 电压反馈：反馈信号取自输出电压信号。 电流反馈：反馈信号取自输出电流信号。
二、生物医学信号的频谱
T= = f
时域
A. 正弦信号
v(t ) Vm sin( 0 t )
T 2
Vm
O
t
Vm
0
0 2f
Vm
频域
O
二、生物医学信号的频谱
频谱：将一个信号分解为正弦信 号的集合，得到其正弦信号幅值 B. 方波信号 随角频率变化的分布，称为该信 满足狄利克雷条件，展开成 号的频谱。 傅里叶级数
电路中反馈信号uf ube=ui-uf 以电压形式出现， 在输入回路中， u ic (+) f i0 起抵消ui的作用， ube (+) ie 致使三极管净输入 R C ui RB 电压ube=ui-uf 减小， uf RE 放大倍数下降，由 Re 产生的uf与ui串联， 属串联负反馈，uf 交流通路 与输出电流io≈ ie 成 uf = ie Re≈－ io Re，就 比例，即输出取样 是反馈电压 对象为电流。
生物医学信号的特点
⒈通常生物电信号的幅度较低，只有毫伏级甚至 微伏级。所以，要提取生物信号，必需经过一 定的放大处理。
第4章 生物电信号的放大和处理
1、放大器的增益
R F1 R p R F1 R F1 R p R F1 1 Vo [(1 ) ]Vc [(1 ) ]Vd R i1 R i 2 R p R i1 2 R i1 R i 2 R p R i1
使共模电压为0：Ri1= Ri2= RI , Rp=RF1=RF 。
e y U ab U ad ( R1 R4 )U R1 R 2 R 3 R 4
R 1R 3 R 2 R 4 U ( R 1 R 2 )( R 3 R 4 )
电桥的平衡条件是 R1·R3＝R2·R4，ey＝0。
表4-1 不同受感臂下的等效电阻和等效电压
单受感臂工作 受感臂 双受感臂工作 （半桥） 四受感臂工作（全桥）
1、试证明应变片的测量电路接成全桥形式 时，其输出为半桥形式的二倍。 2、电压跟随器的作用是什么？
7、积分器
1 Vo RC
V dt
0 i
t
Vo ( j) ZF 1 / jC 1 1 Vi ( j) Zi R jRC j
应用：对血流图积分运算测量心输出量；对 呼吸流量图积分运算，得肺容积图。
8、对数放大器
特点：小信号较大的增益，大信号时较小增益。
Vo I c R I o Re
Vi 0.026
4.4.2 信号转换电路
1、模数转换器（A/D） （1）比较型 （2）电压-时间型 （3）电压-频率型 2、数模转换器（D/A）
小结（六）
1、直流电桥 2、交流电桥 3、生物电放大器的基本要求 4、生物电放大器的常用电路
作业
放大器本身参数无关。
当放大器外部回路不满足匹配条件时，电路
出现共模增益：
R F1 R p R F1 R F1 R p R F1 1 Vo [(1 ) ]Vc [(1 ) ]Vd R i1 R i 2 R p R i1 2 R i1 R i 2 R p R i1
使共模电压为0：Ri1= Ri2= RI , Rp=RF1=RF 。
e y U ab U ad ( R1 R4 )U R1 R 2 R 3 R 4
R 1R 3 R 2 R 4 U ( R 1 R 2 )( R 3 R 4 )
电桥的平衡条件是 R1·R3＝R2·R4，ey＝0。
表4-1 不同受感臂下的等效电阻和等效电压
单受感臂工作 受感臂 双受感臂工作 （半桥） 四受感臂工作（全桥）
1、试证明应变片的测量电路接成全桥形式 时，其输出为半桥形式的二倍。 2、电压跟随器的作用是什么？
7、积分器
1 Vo RC
V dt
0 i
t
Vo ( j) ZF 1 / jC 1 1 Vi ( j) Zi R jRC j
应用：对血流图积分运算测量心输出量；对 呼吸流量图积分运算，得肺容积图。
8、对数放大器
特点：小信号较大的增益，大信号时较小增益。
Vo I c R I o Re
Vi 0.026
4.4.2 信号转换电路
1、模数转换器（A/D） （1）比较型 （2）电压-时间型 （3）电压-频率型 2、数模转换器（D/A）
小结（六）
1、直流电桥 2、交流电桥 3、生物电放大器的基本要求 4、生物电放大器的常用电路
作业
放大器本身参数无关。
当放大器外部回路不满足匹配条件时，电路
出现共模增益：
高频课程设计——中频放大器
高频课程设计——中频放大器引言中频放大器是无线通信和电视广播等领域中使用最广泛的电路之一。
它的作用是将收到的高频信号进行放大，以便能够更好地处理和传输数据。
在高频课程设计中，学习和设计中频放大器是非常重要的一环。
本文将介绍中频放大器的基本原理、设计过程和性能优化。
同时，也会提供一些实用的工具和技巧，以帮助读者更好地理解和实践中频放大器的设计。
一、中频放大器的基本原理中频放大器主要是起到放大高频信号并滤除干扰的作用，其基本原理是利用共射、共基和共集等三种基本放大电路来构建放大器。
1. 共射放大电路共射放大电路在中频放大器中应用十分广泛。
在共射放大电路中，输入信号通过基极输入到晶体管中，而输出信号则从集电极输出。
这种电路具有电压和功率增益高、输入输出阻抗匹配性好等优点。
2. 共基放大电路共基放大电路是一种输入阻抗较低、输出阻抗比较高的放大电路。
它的输入信号是通过发射极输入到晶体管中，而输出信号则从集电极输出。
共基放大电路在中频放大器中通常用于高频增益较大的部分。
3. 共集放大电路共集放大电路是一种电压增益较小、输出阻抗较低的放大电路。
在共集放大电路中，输入信号通过基极输入到晶体管中，而输出信号则从发射极输出。
共集放大电路在中频放大器中主要起到电压跟随的作用。
二、中频放大器的设计过程设计一个中频放大器的一般步骤如下：1. 确定设计要求和规格首先，需要明确中频放大器的设计要求和规格。
这包括放大倍数、频率响应、输入输出阻抗等参数的确定。
2. 选择合适的晶体管根据设计要求和规格，选择合适的晶体管作为放大器的核心。
晶体管的特性参数包括最大功率、最大频率、增益等。
3. 进行电路仿真和分析利用电路仿真软件，对所选晶体管的放大电路进行仿真和分析。
这可以帮助我们理解电路的工作原理、优化电路参数，并评估电路的性能。
4. 进行实际电路搭建和测试根据仿真结果，搭建实际的电路并进行测试。
测试中需要测量并分析放大器的频率响应、增益稳定性、失真等性能指标。
生物医学电子学实验指导书080711
图 2a.3 在示波器显示屏下放有三个测量数据的显示区，左侧数据区表示 1 号读数指针所指信号波形的数据。T1 表示 1 号读数指针离开屏幕最
7
左端（时基线零点）所对应的时间。VA1、VB1 分别表示在 1 号位置 A 通道和 B 通道的信号幅度值。
中间数据区表示 2 号指针所在位置测得的数据。T2 表示 2 号读数 指针离开时基线零点的时间值。VA2、VB2 分别表示在 2 号位置 A 通 道和 B 通道的信号幅度值。
增益；
3
R2 与 R3 失配仅影响 Ad，而不影响 CMRR、Ac。
由上可见三运放克服了基本差动放大器的不足，代价是增加为三
个运放。具体电路如图 3 所示。
20K V2
1458/1
+ -
10K V4
20K
10K
4.7K 741
-
1K
+
VO
20K V1
1K
1458/2 20K
-
+
V3
10K
100K V
10K
三、实验要求
图 3 电路图
1、在电子电路仿真设计软件 EWB/Multisim 环境下，搭建生物电 前置放大器电路；
2、测量并计算共模增益、差模增益、共模抑制比等各项特性参数； 3、从生理信号网站下载心电/脑电信号数据进行仿真观察； 4、观察三运放生物电前置放大器电路中各运放 CMRR 及电阻失配 对总 CMRR 的影响及相关特性测试。
4、连接三运放前置放大器电路图并接入信号源和虚拟示波器。如
图 2a.2 所示：
6
图 2a.2 5、测量和计算共模增益、差模增益、共模抑制比等各项特性参数 (1) 共模增益测量 将 17Hz 信号源幅度（差模信号）设置为 0V，50Hz 信号源（共 模信号）幅度设置为 1V。打开模拟电源开关，双击示波器图标并点击 “expand”按钮展开示波器面板。如图 2a.3 所示
7
左端（时基线零点）所对应的时间。VA1、VB1 分别表示在 1 号位置 A 通道和 B 通道的信号幅度值。
中间数据区表示 2 号指针所在位置测得的数据。T2 表示 2 号读数 指针离开时基线零点的时间值。VA2、VB2 分别表示在 2 号位置 A 通 道和 B 通道的信号幅度值。
增益；
3
R2 与 R3 失配仅影响 Ad，而不影响 CMRR、Ac。
由上可见三运放克服了基本差动放大器的不足，代价是增加为三
个运放。具体电路如图 3 所示。
20K V2
1458/1
+ -
10K V4
20K
10K
4.7K 741
-
1K
+
VO
20K V1
1K
1458/2 20K
-
+
V3
10K
100K V
10K
三、实验要求
图 3 电路图
1、在电子电路仿真设计软件 EWB/Multisim 环境下，搭建生物电 前置放大器电路；
2、测量并计算共模增益、差模增益、共模抑制比等各项特性参数； 3、从生理信号网站下载心电/脑电信号数据进行仿真观察； 4、观察三运放生物电前置放大器电路中各运放 CMRR 及电阻失配 对总 CMRR 的影响及相关特性测试。
4、连接三运放前置放大器电路图并接入信号源和虚拟示波器。如
图 2a.2 所示：
6
图 2a.2 5、测量和计算共模增益、差模增益、共模抑制比等各项特性参数 (1) 共模增益测量 将 17Hz 信号源幅度（差模信号）设置为 0V，50Hz 信号源（共 模信号）幅度设置为 1V。打开模拟电源开关，双击示波器图标并点击 “expand”按钮展开示波器面板。如图 2a.3 所示
电子电路课件：第二章 放大器基础
图精确度降低。
图解法 注意:交流负载线的斜率-1/RL>直流负载线的斜率-1/RC
UCC
IB
RB
IBQ
0 0 t
iB
iC
Q
IBQ
ICQ
VBEQ
IBQ UCC
UBtE
uBE
IC
UCC RC
-1/R交流负载线
Q ib IB = IBQ
t 0 0
t
VCEQ
UCC UCE
uCE
设u i
20sin t(mV
而这些参数的变化将直接引起Q点发生变化。 当Q点过高或过低时，输出波形有可能产生饱和或 截止失真。
以单管共射放大电路的为例说明组成
例1:电容耦合的共射放大电路
C1
简化
+
vS
-
RB +
VBB -
iB 5k
iC
C2
RC
RL + - VCC
① RB为基极偏置电阻，
几十K欧---几百K欧 与VCC一起构
③ B--E输入回路
2.对于由单个NPN型硅管构成的共发放大电路，若在放大正弦波时，
输出波形产生波底失真，则放大电路出现( )。 ①截止失真 ②饱和失真 ③无失真 ④频率失真
(a) 消除饱和失真
降低Q点: 增大RB ，减小IBQ 减小RC : 负载线变徒, 输出动态范围增加。
消除截止失真 升高Q点: 减小RB ，增大IBQ
Summary
放大器中的各个量uBE，iB，iC和uCE都由直流分量 和交流分量两部分组成。
由于C2的隔直作用，放大器的输出电压uo等于uCE 中的交流分量，且与输入电压ui反相。
放大器的电压放大倍数可由uo与ui的幅值之比或有 效值之比求出。负载电阻RL越小，交流负载线越陡， 使Uom减小，电压放大倍数下降。
图解法 注意:交流负载线的斜率-1/RL>直流负载线的斜率-1/RC
UCC
IB
RB
IBQ
0 0 t
iB
iC
Q
IBQ
ICQ
VBEQ
IBQ UCC
UBtE
uBE
IC
UCC RC
-1/R交流负载线
Q ib IB = IBQ
t 0 0
t
VCEQ
UCC UCE
uCE
设u i
20sin t(mV
而这些参数的变化将直接引起Q点发生变化。 当Q点过高或过低时，输出波形有可能产生饱和或 截止失真。
以单管共射放大电路的为例说明组成
例1:电容耦合的共射放大电路
C1
简化
+
vS
-
RB +
VBB -
iB 5k
iC
C2
RC
RL + - VCC
① RB为基极偏置电阻，
几十K欧---几百K欧 与VCC一起构
③ B--E输入回路
2.对于由单个NPN型硅管构成的共发放大电路，若在放大正弦波时，
输出波形产生波底失真，则放大电路出现( )。 ①截止失真 ②饱和失真 ③无失真 ④频率失真
(a) 消除饱和失真
降低Q点: 增大RB ，减小IBQ 减小RC : 负载线变徒, 输出动态范围增加。
消除截止失真 升高Q点: 减小RB ，增大IBQ
Summary
放大器中的各个量uBE，iB，iC和uCE都由直流分量 和交流分量两部分组成。
由于C2的隔直作用，放大器的输出电压uo等于uCE 中的交流分量，且与输入电压ui反相。
放大器的电压放大倍数可由uo与ui的幅值之比或有 效值之比求出。负载电阻RL越小，交流负载线越陡， 使Uom减小，电压放大倍数下降。
《模拟电子技术基础教程》课件第二章 基本放大电路
3. 放大电路组成的原则 （1）三极管必须工作在放大区
NPN管：UC＞UB＞UE
PNP管：UC＜UB＜UE （2）动态信号能够作用于晶体管输入回路，即ui → iB ； （3）在负载上能够获得放大了的动态信号，即iB → iC → uo； （4）输出波形基本不失真。 4. 实现放大的条件 （1）晶体管必须工作在放大区，即发射结正偏，集电结 反偏； （2）正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区； （3）输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流； （4）输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极 电压，经电容滤波后只输出交流信号。
NF
PS PN
PS PN
i
o
（2.12）
用分贝(dB)表示的噪声系数为
NF
(dB)
10
lg
( PS ( PS
/ /
PN PN
)i )o
（2.13）
注：符号规定如下 小写符号、小写下标vi ：表示交流电压（电流）瞬
时值； 大写符号、大写下标VI ：表示直流电压（电流）； 小写符号、大写下标vI ：表示包含有直流的电压（
第二章 基本放大电路
基本放大电路是放大电路中最基本的结构形式，是 构成复杂放大电路的基本单元，它利用三极管输入电流 控制输出电流的特性实现信号的放大。本章以共射极基 本放大电路为基础，分析放大电路的基本概念和主要性 能指标、放大电路的工作原理和实质、放大电路的静态 工作点、放大电路的静态分析和动态分析，并对放大电 路的三种组态进行了比较。
ui uBE iB iC uCE uCE iCRC uo
2.3 放大电路的静态工作点 1. 静态工作点的定义
在放大电路中，当有信号输入时，交流量与直流量 共存。当外加输入信号为0时，放大电路处于直流工作状 态或静止状态，简称静态。此时，在直流电源VCC的作用 下，三极管的各电极都存在直流电流和直流电压，这些直 流电流和直流电压在三极管的输入和输出特性曲线上各自 对应一点Q，该点称为静态工作点。静态工作点处的基极 电流、基极与发射极之间的电压分别用IBQ、UBEQ表示， 集电极电流、集电极与发射极之间的电压分别用 ICQ、 UCEQ表示。
第3章 生物医学常用放大器 第1-2节 负反馈
U U o X F o A I A o o i o Io Ro Ro
U0 )R Rof (1 AF o I0
Rof (1 AF) Ro
• 结论：
1、采用串联负反馈 ，能增大输入电阻 ； 2、采用并联负反馈 ，能减小输入电阻； 3、采用电流负反馈 ，能增大输出电阻，稳定输出电流； 4、采用电压负反馈 ，能减小输出电阻，稳定输出电压， 增强带负载能力；
(2) 方框图：
比较环节
放大环节
xi
A
xo
xi
xid
f
－ x +
A
F
xo
取样 反馈环节
(a) 无反馈
(b) 有反馈
要研究哪些问题？
反馈放大电路可用方框图表示
放大电路输出量的一部分或全部通过一定的方式 引回到输入回路，影响输入，称为反馈。
怎样引回 是从输出 电压还是 输出电流 引出反馈 多少
怎样引出
f Hf (1 AF ) f H
可推导出引入负反 馈后的截止频率、 通频带
fL f Lf 1 AF f bwf (1 AF ) f bw
四、减小非线性失真和抑制干扰
1.非线性失真 当输入信号为正弦波时，输出信号的波形可能不再是一 个真正的正弦波，而将产生或多或少的非线性失真，当信 号幅度比较大时，非线性失真现象更为明显。
Rof
U Ro o F Io 1 A
Rof
Ro 1 AF
对输出电阻的影响 引入电流负反馈时 电流负反馈稳定输出电流，使输出具有恒流特性， 因而输出电阻增大。
Rof (1 AF) Ro
电流负反馈使输出电阻增大
i X i X f X f F I o X
U0 )R Rof (1 AF o I0
Rof (1 AF) Ro
• 结论：
1、采用串联负反馈 ，能增大输入电阻 ； 2、采用并联负反馈 ，能减小输入电阻； 3、采用电流负反馈 ，能增大输出电阻，稳定输出电流； 4、采用电压负反馈 ，能减小输出电阻，稳定输出电压， 增强带负载能力；
(2) 方框图：
比较环节
放大环节
xi
A
xo
xi
xid
f
－ x +
A
F
xo
取样 反馈环节
(a) 无反馈
(b) 有反馈
要研究哪些问题？
反馈放大电路可用方框图表示
放大电路输出量的一部分或全部通过一定的方式 引回到输入回路，影响输入，称为反馈。
怎样引回 是从输出 电压还是 输出电流 引出反馈 多少
怎样引出
f Hf (1 AF ) f H
可推导出引入负反 馈后的截止频率、 通频带
fL f Lf 1 AF f bwf (1 AF ) f bw
四、减小非线性失真和抑制干扰
1.非线性失真 当输入信号为正弦波时，输出信号的波形可能不再是一 个真正的正弦波，而将产生或多或少的非线性失真，当信 号幅度比较大时，非线性失真现象更为明显。
Rof
U Ro o F Io 1 A
Rof
Ro 1 AF
对输出电阻的影响 引入电流负反馈时 电流负反馈稳定输出电流，使输出具有恒流特性， 因而输出电阻增大。
Rof (1 AF) Ro
电流负反馈使输出电阻增大
i X i X f X f F I o X
第三章 信号放大与处理-1
1 R1 RF
设 1 2 3 F 则 4 Ac1 1 1 / Ad
由外电路电阻失配造成的放大器的共模抑制比为
Ad 1 Ad CMRRR Ac1 4
CMRRR与电阻匹配误差、放大器的闭环差模增益有关。电阻匹配 误差越小，闭环差模增益越大，放大器的共模抑制能力越大。
通过两个电极提取生物电位时，等效源阻Zs1和Zs2 一般不完全相等，其数值大小与人体汗腺 分泌情况、 皮肤清洁程度有关。各个电极处的皮肤接触电阻是不 平衡的，而且因人而异，加之两个电极本身的物理状 态不可能完全对称，这样使得与差动放大器两个输入 相连的源阻抗Zs1和Zs2不平衡。 这种不乎衡造成的危害，是共模干扰向差模干扰的 转化，从而造成共模干扰输出。对于这种转化，放大 器本身的共模抑制能力再高也将无济于事。但是提高 放大器的输入阻抗，则会减小这一转化。
生物医学电子学
2. 高输入阻抗
（1）生物电信号源是高内阻的微弱信号源，信号 源阻抗不仅因人而异、因生理状态而异，而且与电 极的安放位置、电极本身的物理状态都有关系。源 阻抗的不稳定性，使放大器电压增益不稳定，从而 造成难以修正的测量误差。 （2）放大器对被测信号源应呈现最轻负载，输入 阻抗不够高，负载过重就产生信号失真。所以通常 要求生理参数测量放大器的输入阻抗比信号源内阻 大10 -100倍。输入阻抗应不小于1MΩ，最好大于 或等于10MΩ。
生物医学电子学
[II] 考虑器件CMRRD
器件本身的共模抑制比CMRRD对整个放大器的CMRR的影 响 Ao
CMRRD Ac 放大器的开环差动增益 Ao 放大器的开环共模增益 Ac , Ac c U0 U ic
c折合到输入端的共模误 共模输出电压 U0 差电压U ic c U0 U ic A0 U ic U ic CMRRD
设 1 2 3 F 则 4 Ac1 1 1 / Ad
由外电路电阻失配造成的放大器的共模抑制比为
Ad 1 Ad CMRRR Ac1 4
CMRRR与电阻匹配误差、放大器的闭环差模增益有关。电阻匹配 误差越小，闭环差模增益越大，放大器的共模抑制能力越大。
通过两个电极提取生物电位时，等效源阻Zs1和Zs2 一般不完全相等，其数值大小与人体汗腺 分泌情况、 皮肤清洁程度有关。各个电极处的皮肤接触电阻是不 平衡的，而且因人而异，加之两个电极本身的物理状 态不可能完全对称，这样使得与差动放大器两个输入 相连的源阻抗Zs1和Zs2不平衡。 这种不乎衡造成的危害，是共模干扰向差模干扰的 转化，从而造成共模干扰输出。对于这种转化，放大 器本身的共模抑制能力再高也将无济于事。但是提高 放大器的输入阻抗，则会减小这一转化。
生物医学电子学
2. 高输入阻抗
（1）生物电信号源是高内阻的微弱信号源，信号 源阻抗不仅因人而异、因生理状态而异，而且与电 极的安放位置、电极本身的物理状态都有关系。源 阻抗的不稳定性，使放大器电压增益不稳定，从而 造成难以修正的测量误差。 （2）放大器对被测信号源应呈现最轻负载，输入 阻抗不够高，负载过重就产生信号失真。所以通常 要求生理参数测量放大器的输入阻抗比信号源内阻 大10 -100倍。输入阻抗应不小于1MΩ，最好大于 或等于10MΩ。
生物医学电子学
[II] 考虑器件CMRRD
器件本身的共模抑制比CMRRD对整个放大器的CMRR的影 响 Ao
CMRRD Ac 放大器的开环差动增益 Ao 放大器的开环共模增益 Ac , Ac c U0 U ic
c折合到输入端的共模误 共模输出电压 U0 差电压U ic c U0 U ic A0 U ic U ic CMRRD
第三章放大信号
R6
5K
D2
5K
C2
IN4148
102
8.2K +5V
7
-5V +5V
D3 IN4148
1
U2
8
2
6
SW2
3
5
AD620
4
R8
R9
5K
D4
5K
C3
-5V
IN4148 第三章放大1信02 号
-5V
+5V
+ C9
10uF
C8
104
-5V
+ C11
10uF
C10
104
C4
4.7uF R10 1M
3 2
R11 100
4
7
V
R7 27K R6 8.2K +5V
U2 8 6 5
AD620
-5V
+ C11
10uF
C10
1
104
2
③ 高通及中间放-5V 大电路
SW2
+5V
8
1
7
C4
4.7uF R10 1M
U3
3
6
SW3
2
OP-07
4
-5V
R11
R12
100ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
10K
第三章放大信号
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C5 0.068uF
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去掉皮肤表 面的角质层
第三章放大信号
典型医学和生理学参数
典型参数 心电（ECG） 脑电（EEG） 肌电（EMG） 胃电（EGG） 血流（主动脉） 输出量 心阻抗 体温
幅度范围 0.01 ~ 5 mV 2 ~ 200 uV 0.02 ~ 5 mV 0.01 ~ 1 mV 1 ~ 300 mL/s 4 ~ 25 L/min 15 ~ 500 Ω 32 ~ 40 0C
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高通滤 波器
低通滤 波器
50Hz 陷波器
6、电气隔离和保护：
生物电放大器都有隔离放大器一级，使得连接病人 的放大器输入级与放大器后级完全电气隔离的。
分信号通路隔离和电源通路隔离，前者使用隔离变 压器、光电管隔离器、电容隔离等；后者使用隔离 变压器或DC-DC变换器。
电气隔离的主要目的是防止病人受到电击，同时抑 制电源干扰。
针型电极：用以刺破皮肤，记录局部肌肉组织的EMG电 位等。
微电极：是用于测量细胞附近和细胞内生物电位的微型 电极。这种电极的尖端直径仅为0.5~5微米。
皮肤表面电极
金属板电极
浮式电极：导电膏隔离皮肤与电极
吸杯电极
盘状电极
针形电极（肌电图）
微电极
金属电极 绝缘层
A B
+ 膜电位
+ 细胞质
5~50μV 0.01~5mV 20 μV ~30mV 50 μV ~2mV 50~200 μV 0.05~3.5mV
1~60Hz DC~150Hz 10~3000Hz DC~20Hz DC~20Hz DC~50Hz
说明
主要带宽在0～ 33Hz 诱发电位1％ 电针 表面电极测得 表面电极测得 表面电极测得 表面电极测得
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。
高输入阻抗测量示意图
5、合适的通频带：
利用滤波器（高通+低通）来完成。 高通滤波器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。 陷波器：消除工频噪声。 通频带越窄，噪声越小。
前置放大器
隔离放大器
+
高 通
低 通
滤
滤
－
波
波
器
器
高电压保护
2.1.3.1 前置放大器
生物电放大器的前置级均由差分放大器构成
最基本的理想差分放大器
两个三极管及相对应的电阻参数一致。输出电压Vo等
于两晶体管集电极输出电压之差Vo=Vo1－Vo2。
零点漂移抑制 差模信号放大 ：等于三极管增益 共模信号输出：0 共模抑制比：无穷大
2.1 生物电放大器
2.1.1 生物电信号的特点
幅度小：心电1～5mV，脑电诱发电位0.1 μV 频率低：DC～3000Hz 背景噪声强，信噪比小：50Hz干扰为主 受电极影响 信号内涵丰富：如脑电波
生物电信号的幅值和频率
信号
心电
幅值
0.1~8mV
频率范围
DC~100Hz
自发脑电 皮层脑电 肌电 胃电 视网膜电 眼电图
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
1、采用差分放大器：
用途：测量两个电极之间的生物电的电位差值。因 此差分放大器放大差模信号，抑制共模信号
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。
+ +
参比电极
+
+
+
组织液
按电极材料分类：
Ag/AgCl电极：医用Ag/AgCl电极采用烧结法制成 不锈钢电极 导电硅胶电极 干电极
粘合剂 绝缘膜
电极板
导电硅胶电极
外壳
电极线
干电极：
通过人体与金属电极板的电 容耦合检测生物电信号
2.1.2 生物电放大器的基本要求与特点
生物电放大器基本要求(P10) 生物电放大器技术特点：
50 μV ~2mV 0.001~20Hz
视网膜电（electroretinogram, ERG）
50~200 μV DC~20Hz
将一电极放置在角膜上，另一电极放置于最靠近眼球后部的眶缘部分，当视网膜 受到快速变化的光刺激时，通过放大装置将视网膜电位变化记录下来，即为视网 膜电图
眼电图electro-oculogram,EOG
第2章 生物电测量仪器 2.1 生物电放大器
阮肖晖 高级工程师 rxh@
本节目录
2.1.1生物电信号的特点 2.1.2生物电放大器的基本要求与特点 2.1.3生物电放大器设计 2.1.4生物电放大器的技术指标 2.1.5信号的采集（信号处理）
参考书：《现代医学电子仪器原理与设计》余学飞
2、高增益：
生物电信号非常弱小：通常放大器的增益达500倍 至100万倍左右，针对不同的信号应选择不同的增 益。
3、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。
4、高输入阻抗：
医疗仪器
220V交流电
2.1.3 生物电放大器设计
生物电放大器的基本结构和原理 前置放大器的设计 共模抑制的消除方法 电气隔离和大电流保护
生物电放大器的基本结构和原理入阻抗、低噪声、差模放大
高通滤波器
隔离放大器：10~1000倍
低通滤波器
高电压保护电路
0.05~3.5mV DC~50Hz
于暗、明适应条件下在被检者内、外眦角各置一电极所检测到的电流随眼球的转动 而变化，记录下来的电位就是眼电图。
电极
为了测量和记录生物机体的生物电位或电流而安置 在机体和测量仪器之间的导电界面（电极理化反 应），其作用是把机体内的离子流（生物电位）转 换成电路中的电子流（生物电信号）。
心电图electrocardiogram，ECG
0.1~8mV DC~100Hz
肌电图electromyography，EMG
20 μV ~30mV 10~3000Hz
脑电图electroencephalogram，EEG
5~200μV 0.5~60Hz
胃电图Electrogastrogram，EGG
电极 机体外 机体内
＋
-
-
＋ ＋
＋＋
＋
电极在生物体内离子导 电和金属的电子导电体 系之间形成一个电化学 界面，能实现离子流与 电子流的互相转换，从 而使生物体和测量仪器 间构成了电流回路。
-
-
-
＋
-
生物电检测电极示意图
常见医用电极的种类、特点与作用
按用途分类：
皮肤表面电极：用以从体表上测量ECG、EEG和EMG电 位。体表电极的形状很多，有用于肢体的金属板电极、 用橡皮膏粘贴的金属盘电极、吸杯电极、浮动型表面电 极、按扣式电极以及特殊形式的表面电极等。