人民教育出版社醫(yī)用電子學(xué)第三章.ppt

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1、第三章 生物醫(yī)學(xué)常用放大器 第一節(jié) 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn) 一、生物電信號(hào)的基本特征 1、產(chǎn)生：心電、腦電、肌電 2、生物電信號(hào)特征 頻率特性：頻率在0幾千z。 幅值特性:信號(hào)弱 噪聲強(qiáng)。干擾信號(hào) 信號(hào)源輸出阻抗高 二、生物放大器的特點(diǎn) 針對(duì)生物電信號(hào)的特點(diǎn)，醫(yī)學(xué)生物放大器應(yīng)具備如下基本特點(diǎn)： 有精確而穩(wěn)定的放大倍數(shù)。反饋 放大器前級(jí)應(yīng)具有很高的輸入阻抗。 高共模抑制比。 低噪聲的場效應(yīng)管。 低漂移。放大器的頻率和幅值與生物信號(hào)的頻率和幅值很接近。 適當(dāng)?shù)耐l帶。,第二節(jié) 負(fù)反饋放大器 一、反饋（feedback）的基本概念 1、概念： 指將系統(tǒng)的輸出量（電壓或電流）的一部分或全部，通過一定的

2、方式送回到輸入端，并對(duì)輸入和輸出造成一定影響的過程。 2、分類： 按照反饋極性可分為正反饋和負(fù)反饋 A、正反饋：反饋信號(hào)使放大電路凈輸入信號(hào)增加，從而使放大電路的輸出信號(hào)比沒有反饋時(shí)增大。 B、負(fù)反饋：反饋信號(hào)使放大電路凈輸入信號(hào)減少，從而使放大電路的輸出信號(hào)比沒有反饋時(shí)減小。 按信號(hào)類型可分為直流反饋和交流反饋 A、直流反饋：反饋信號(hào)為直流量。 B、交流反饋：反饋信號(hào)為交流量。,正負(fù)反饋判別 采用“瞬時(shí)極性法”： 在放大器輸入端假設(shè)輸入信號(hào)在某一瞬時(shí)對(duì)地的極性為正或負(fù)（+或），然后根據(jù)放大器各級(jí)電路輸入端與輸出端信號(hào)間的相位關(guān)系（同相或反相），標(biāo)出電路各點(diǎn)的瞬時(shí)極性，再得到反饋端信號(hào)的極

3、性，最后通過比較反饋端與輸入端信號(hào)的極性來判斷電路的凈輸入信號(hào)是加強(qiáng)還是減弱。 其具體判別法為： 當(dāng)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)不在同一節(jié)點(diǎn) 引入時(shí)，若兩瞬時(shí)極性相同，則為負(fù)反饋，若兩極性相反，則為正反饋。 當(dāng)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)在同一節(jié)點(diǎn) 引入時(shí)，若兩瞬時(shí)極性相同，則為正反饋，若兩極性相反，則為負(fù)反饋。,例：判斷下列反饋是正反饋還是負(fù)反饋。,分析：（a）在放大器輸入端假設(shè)輸入信號(hào)在某一瞬時(shí)對(duì)地的極性為“”，由于信號(hào)從反相輸入端輸入，則輸出端信號(hào)對(duì)地極性為“”，經(jīng)過反饋電阻Rf得到的反饋信號(hào)極性為“”，如圖所示。因輸入信號(hào)和反饋信號(hào)不在同一節(jié)點(diǎn)引入，兩信號(hào)極性相反，所以為正反饋。 （b）在放大器輸入

4、端假設(shè)輸入信號(hào)在某一瞬時(shí)對(duì)地的極性為“”，由于信號(hào)從同向輸入端輸入，則輸出端信號(hào)對(duì)地極性為“”，經(jīng)過反饋電阻Rf得到的反饋信號(hào)極性為“”，如圖所示。因輸入信號(hào)和反饋信號(hào)不在同一節(jié)點(diǎn)引入，兩信號(hào)極性相同，所以為負(fù)反饋。,二、負(fù)反饋的基本類型 1、類型 根據(jù)反饋定義，反饋取樣的對(duì)象可以是電壓，也可以是電流，而反饋信號(hào)引回到輸入端的連接方式可以是串聯(lián)，也可以是并聯(lián)，因而反饋有四種類型： 電壓串聯(lián)反饋 電壓并聯(lián)反饋 電流串聯(lián)反饋 電流并聯(lián)反饋 2、反饋類型的判別 串聯(lián)、并聯(lián)反饋判定： 并聯(lián)反饋：反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在同一節(jié)點(diǎn)引入，反饋信號(hào)和輸入信號(hào)是以電流的形式進(jìn)行比較。 串聯(lián)反饋：反饋信號(hào)與輸入

5、信號(hào)不在同一節(jié)點(diǎn)引入，反饋信號(hào)和輸入信號(hào)是以電壓的形式進(jìn)行比較。,3、應(yīng)用： 例2：判別下列反饋類型。,電壓、電流反饋判定： 電壓反饋：反饋信號(hào)為輸出電壓，反饋信號(hào)大小與電路的輸出電壓成正比。 電流反饋：反饋信號(hào)為輸出電流，反饋信號(hào)大小與電路的輸出電流成正比。 判別時(shí)也可采用使電路輸出端短路，若反饋仍存在則為電流反饋，若不存在為電壓反饋。,分析：（a）由于反饋信號(hào)和輸入信號(hào)在同一節(jié)點(diǎn)引入，所以為并聯(lián)反饋；若將輸出端短路時(shí)，反饋信號(hào)將不存在，所以是電壓反饋；此反饋為負(fù)反饋（如圖所示）。故為電壓并聯(lián)負(fù)反饋。 （b）由于反饋信號(hào)和輸入信號(hào)不在同一節(jié)點(diǎn)引入，所以為串聯(lián)反饋；若將輸出端短路時(shí)，反饋

6、信號(hào)將不存在，所以是電壓反饋；此反饋為負(fù)反饋（如圖所示）。故為電壓串聯(lián)負(fù)反饋。,特性：該類電路通常是用來從 給定的信號(hào)電壓ui獲得較大的輸出 電流io. A、轉(zhuǎn)移跨導(dǎo)：GF= io/ ui io=ic=ib ui=ube+uF=rbeib+（ic+ib）Re= rbeib+（+1）ibRe GF= io/ ui = /rbe+（+1）Re1/ Re 無反饋時(shí)： ui=ube = rbeib ， G0= /rbeGF 負(fù)反饋使GF減小，但使其更穩(wěn)定。,三、四種類型負(fù)反饋放大電路 1、電流串聯(lián)負(fù)反饋 電路：如圖所示。,原理： 反饋信號(hào)與輸入信號(hào)不在同一節(jié)點(diǎn)，同時(shí)極性相同，為串聯(lián)負(fù)反饋；若將輸

7、出端短路，反饋仍存在，故為電流串聯(lián)負(fù)反饋。,由GF= io/ ui 得io= GF ui，因ui恒定，同時(shí)GF 1/ Re也恒定，故io恒定。 C、穩(wěn)定放大倍數(shù)Au： uo=icRL=ibRL （RL =RCRL） AF=uo/ui= icRL/ui = GFRL RL/ Re （GF= io/ ui、io=ic） 無反饋時(shí)：Au= RL/rbe AF 負(fù)反饋使AF減小，但使其穩(wěn)定。 D、對(duì)Ri、Ro的影響： 電流負(fù)反饋使輸出電阻Ro增大，串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻Ri增大。,B、恒流源： 電流串聯(lián)負(fù)反饋常應(yīng)用到直流，把一個(gè)穩(wěn)定電壓加到基極，從集電極獲得穩(wěn)定的輸出電流，稱為恒流源。電路如圖所示

8、：,2、電壓串聯(lián)負(fù)反饋 電路：如圖所示：（射極跟隨器，源極跟隨器）,原理： 射極跟隨器和源極跟隨器的原理相似，以射極跟隨器為例。反饋信號(hào)與輸入信號(hào)不在同一節(jié)點(diǎn)，同時(shí)極性相同，為串聯(lián)負(fù)反饋；若將輸出端短路，反饋不存在，故為電壓串聯(lián)負(fù)反饋。,特性： A、穩(wěn)定放大倍數(shù)AF ui=uo+ube=uo+rbeib uo=ie Re=（+1）ibRe （Re =ReRL） AF=uo/ui=（+1）Re/rbe+（+1）Re1 由此可見電路放大倍數(shù)略小于1，但其非常穩(wěn)定，輸出電壓總是跟隨輸入電壓變化，故稱為跟隨器（follower）。 此電路不能放大電壓，但能夠放大電流和功率。 B、對(duì)Ri

9、、Ro的影響： 電壓負(fù)反饋使輸出電阻Ro減小，串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻Ri增大。,3、電壓并聯(lián)負(fù)反饋 電路：如圖所示。,原理： 反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在同一節(jié)點(diǎn)，同時(shí)極性相反，為并聯(lián)負(fù)反饋；若將輸出端短路，反饋不存在，故為電壓并聯(lián)負(fù)反饋。,特性： A、穩(wěn)定放大倍數(shù)AF 負(fù)反饋使信號(hào)源提供的電流ii被反饋電阻分了一部分，基極電流ib實(shí)際減小，輸出電壓減小，故使放大倍數(shù)減小，但更穩(wěn)定。,B、對(duì)Ri、Ro的影響： 電壓負(fù)反饋使輸出電阻Ro減小，并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻Ri減小。 4、電流并聯(lián)負(fù)反饋,電阻RE2和RF是聯(lián)系輸入和輸出的公共支路,因此電路中有反饋支路,有反饋存在.,反饋類型: 假設(shè)輸出電壓短

10、路,T2的射極電流仍存在,故是電流反饋.從反饋支路輸入端的連接方式看,輸入信號(hào)和反饋信號(hào)在同一節(jié)點(diǎn)引入,故屬并聯(lián)反饋.用瞬時(shí)極性判斷可知,由于反饋電流的存在,使凈輸入信號(hào)減小,電路是負(fù)反饋.所以電路是電流并聯(lián)負(fù)反饋.,負(fù)反饋放大器開環(huán)（無反饋）放大倍數(shù):,A=XO/Xd,反饋電路的反饋系數(shù)為反饋信號(hào)與輸出信號(hào)之比,引入負(fù)反饋后的凈輸入信號(hào)為,Xd=Xi-Xf,故,Af=XO/（Xi-Xf）,三、負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響 1、降低放大器的放大倍數(shù)。,F=Xf/XO,,負(fù)反饋放大器（有反饋）閉環(huán)放大倍數(shù)為,Af=XO/Xi=A/（1+FA）,2、提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性。,例3-1 某一放大器的開環(huán)電

11、壓放大倍數(shù)A=1000。若由于環(huán)境溫度的影響，使A下降為600。若引入負(fù)反饋，反饋F=0.01，試比較引入負(fù)反饋前后電壓放大倍數(shù)的相對(duì)變化量,解 A=1000時(shí) A=A/（1+FA）=1000/（1+10000.01）=90.91,A=600時(shí) A=A/（1+FA）=600/（1+6000.01）=85.71,開環(huán)電壓放大倍數(shù)的相對(duì)變化量,A/A=40%,6、反饋回路中電阻值不宜過大，避免產(chǎn)生熱噪聲。,閉環(huán)電壓放大倍數(shù)的相對(duì)變化量,A/A=5.7%,3、減小非線性失真。,4、展寬放大器的通頻帶。,5、串聯(lián)負(fù)反饋增大輸入電阻，并聯(lián)負(fù)反饋減小輸入電阻；電壓負(fù)反饋減小輸出電阻，電流負(fù)反饋增加輸出電阻

12、。見書本59頁表3-2.,放大電路的反饋類型、判別方法和對(duì)放大電路性能的影響,第三節(jié) 直流放大器 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)是低頻信號(hào)，所以直流放大器得到廣泛應(yīng)用。由于直流放大器用于放大直流信號(hào)或變化緩慢的電信號(hào)，產(chǎn)生了直流放大器所特有的問題，即級(jí)間耦合和零點(diǎn)漂移。 一、零點(diǎn)漂移： 1、概念： 在直流放大器中，各級(jí)之間采用直接耦合，所以在放大器中任一點(diǎn)的直流電位改變都會(huì)改變輸出端電壓的變化。當(dāng)輸入信號(hào)電壓為零時(shí)，輸出電壓應(yīng)為零或保持某一穩(wěn)定值。 在實(shí)際電路中，由于溫度變化，元件老化等原因，使得當(dāng)輸入信號(hào)電壓為零時(shí)，直流放大器輸出端電壓有緩慢變化，這種現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移(溫漂）。 2、產(chǎn)生原因 電阻變化

13、（老化） （可采用高精度電阻并經(jīng)防老化處理） 電源電壓波動(dòng) （采用高穩(wěn)定度的直流穩(wěn)壓電源） 晶體管參數(shù)隨溫度變化（主要原因） 環(huán)境溫度變化，晶體管的參數(shù)改變，電路工作狀態(tài)發(fā)生改變。,3、減小主要措施 利用非線性元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償 利用溫度對(duì)非線性元件（如半導(dǎo)體二極管、熱敏電阻）的影響來抵消溫度對(duì)晶體管參數(shù)的影響所產(chǎn)生的漂移。 采用差動(dòng)式放大電路 利用兩只型號(hào)、特性相同的晶體管進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 二、直流放大器的級(jí)間耦合 1、直接耦合：把前一級(jí)的輸出端直接接到后一級(jí)的輸入端。 2、直接耦合的形式 把前級(jí)的集電極直接連到后級(jí)的基極 電路：如圖所示。,特點(diǎn)：A、元件少，結(jié)構(gòu)簡單。 B、為保證晶體管

14、正常工作，后級(jí)的基極電勢被抬高，級(jí)數(shù)增多，電路不能正常工作。 C、射極電阻Re逐級(jí)增大，電流負(fù)反饋加深，放大倍數(shù)逐漸減少。,輔助電源法 電路：如圖所示。,特點(diǎn)：A、利用R1、R2和輔助 電源的作用，使各級(jí)有適當(dāng)?shù)?工作點(diǎn)。 B、信號(hào)經(jīng)過R1、R2分壓傳輸 有損失。 互補(bǔ)管交替使用 把PNP型晶體管和NPN型晶體 管交替使用。電路如圖所示：,特點(diǎn)：各晶體管有適當(dāng)工作點(diǎn)，信號(hào)傳輸無損失，應(yīng)用較多。 3、直流耦合的優(yōu)缺點(diǎn) 在直接耦合下前后放大電路直接相連，可放大變化緩慢的信號(hào)，也可以反映信號(hào)直流電平的變化，也可放大交流信號(hào)，低頻特性好。 由于無電容，便于集成。 前后級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)不獨(dú)立，相互影響。,三

15、、差分放大器（differential amplifier） 1、電路結(jié)構(gòu)： 如圖所示：電路結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，電路中兩個(gè)晶體管的特性一致，對(duì)稱的元件也相同。信號(hào)電壓由兩個(gè)基極輸入，放大后的輸出電壓由兩管的集電極輸出。輸出電壓與兩個(gè)輸入端的輸入信號(hào) 之差成正比，故稱為差分放大器。,2、工作原理： 當(dāng)無輸入信號(hào)時(shí)，即Ui=0時(shí)， Ui1和Ui2均為零。溫度變化將產(chǎn) 生零點(diǎn)漂移，由于電路的對(duì)稱 性，U01=U02，則輸出電壓 U0=U01U02 ，即輸出電壓不隨 溫度發(fā)生漂移。 放大作用： 當(dāng)輸入端加一信 號(hào)電壓Ui時(shí)，T1管的輸入為Ui/2， T2管的輸入為Ui/2，即兩管獲得大小相等，極性相反

16、的信號(hào)電壓，即差模信號(hào)Ui1=Ui2=Ui/2。因電路完全對(duì)稱，有Ic1=Ic2=Ic，U01=U02=IcRc，所以輸出電壓U0=U01U02 =2IcRc。 由此可見，輸出電壓U0是單管輸出電壓U01=（U02）的兩倍，與單管電路相比，輸入電壓也增大了一倍，因此電壓放大倍數(shù)與單管電路相同。,差模電壓放大倍數(shù)為：,抑制零點(diǎn)漂移作用： 因電路是完全對(duì)稱的，無論是溫度變化，還是電壓波動(dòng)，都會(huì)引起兩管集電極電流和集電極電壓有相同的變化。即Uc1=Uc2或U01=U02。而輸出電壓變化U0=U01U02=0，即輸出電壓不變，抑制了零點(diǎn)漂移。 若在T1管和T2管的輸入端輸入大小相等，極性相同的電壓

17、信號(hào)，即共模信號(hào),Ui1=Ui2 ，由上述可知輸出電壓為U0=U01U02=0，則差動(dòng)放大器對(duì)共模信號(hào)有抑制作用。共模放大倍數(shù)為Ac=0。 上述電路在雙端輸出或?qū)ΨQ輸出時(shí)，抑制零點(diǎn)漂移能力是比較強(qiáng)的，但如果采用單端輸出或不對(duì)稱輸出時(shí)，此時(shí)電路零點(diǎn)漂移和單管放大電路一樣，沒有抑制作用，必須對(duì)電路加以改進(jìn)。 3、典型差分放大器（長尾電路） 電路結(jié)構(gòu)： 為了限制單端輸出的漂移電壓，要設(shè)法穩(wěn)定流過每個(gè)管子的電流，故在原電路的基礎(chǔ)上在兩管的射極電路中接入了公共電阻Re和負(fù)電源Ee。如圖所示。公共電阻Re和負(fù)電源Ee具有什么作用呢?,射極電阻Re的作用 由前面討論射極偏置電路知，Re具 有穩(wěn)定工作點(diǎn)

18、的作用。從反饋的觀點(diǎn) 看，起電流負(fù)反饋?zhàn)饔?，具有恒流?性，同時(shí)電路采用雙管結(jié)構(gòu)，電流負(fù) 反饋?zhàn)饔迷鰪?qiáng)，可更有效地抑制輸出 電壓漂移。當(dāng)兩端輸入信號(hào)Ui1=Ui2=0 時(shí)，溫度發(fā)生變化其每個(gè)管子的抑制 過程可簡單表示如下： T1：TIC1IEUEUBE1 IB1IC1 T2：TIC2IEUEUBE2 IB2IC2 由此可見，Re對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的電流負(fù)反饋?zhàn)饔?，零點(diǎn)漂移被抑制，且Re越大抑制作用越強(qiáng)。 Re對(duì)差模信號(hào)卻無抑制作用，因?yàn)樵陔娐份斎攵溯斎氩钅Ｐ盘?hào)時(shí)，一管電流增加，另一管電流減小，在電路完全對(duì)稱的情況下，IE1的增加量和IE2的減少量相等，流過Re 的電流IE不發(fā)生變化，即R

19、e 對(duì)差模信號(hào)無負(fù)反饋?zhàn)饔谩?負(fù)電源Ee的作用： Re越大，電路抑制零點(diǎn)漂移能力越強(qiáng)，但Re越大，電路的工作點(diǎn)將下移(為什么?)，電路電壓放大倍數(shù)下降。為了使Re有較高的數(shù)值，又能保證各管子有合適的工作點(diǎn)，在發(fā)射極電路中接入Ee ，用來補(bǔ)償Re上的電壓降，以保證晶體管有合適的工作點(diǎn)。,、靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算,由圖可知：,決定基極電流的主要因素是輔助電源和射極電阻。因此，不用基極電阻也可以建立合適的工作點(diǎn)。,差模放大倍數(shù)Ad 差模放大倍數(shù)與單管放大倍數(shù)相同。即,其中Rs為信號(hào)源內(nèi)阻。 對(duì)于雙端輸入單端輸出的差動(dòng)放大電路，其差模放大倍數(shù)為：,共模放大倍數(shù)Ac：,對(duì)于雙端輸入單端輸出的差動(dòng)放大電路，其

20、共模放大倍數(shù)為：,由此可見，Re越大，其抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。 輸入、輸出電阻 輸入電阻： Ri=2rbe 輸出電阻：雙端輸出時(shí)：Ro2Rc。 單端輸出時(shí)： RoRc。 4、性能（共模抑制比）： 差動(dòng)放大器有效地放大差模信號(hào)的同時(shí)，對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制作用。差模放大倍數(shù)越大，共模放大倍數(shù)越小，則共模抑制能力越強(qiáng)，放大器的性能越好。將差模放大倍數(shù)與共模放大倍數(shù)的比值，稱為共模抑制比，用KCMR表示。雙端輸出的共模抑制比為,理想的差動(dòng)放大電路，|AC|0，因而KCMR。,5 差分放大器的輸入、輸出方式,1、雙端輸入雙端輸出。,3、單端輸入雙端輸出。 4、單端輸入單端輸出。,有四種方式：,2、雙端輸入單端輸出。,由于差分放大器選用的是直接偶合方式，它是集成運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)，在下一章具體介紹。,3、單端輸入雙端輸出。,4、單端輸入單端輸出。,