幾種新型的高性能生物電放大器

概述

 

生物電信號(hào)十分微弱，在檢測生物電信號(hào)的同時(shí)存在強(qiáng)大的干擾，因此，設(shè)計(jì)高質(zhì)量的生物電放大器有許多技術(shù)困難。

本文介紹了使用ADI公司生產(chǎn)的集成化儀用放大器和運(yùn)算放大器，設(shè)計(jì)了幾種新的結(jié)構(gòu)形式的高性能生物電前置放大器。

 

圖1 生物電前置放大器設(shè)計(jì)應(yīng)用一

 

圖2 生物電前置放大器設(shè)計(jì)應(yīng)用二

 

圖3 生物電前置放大器設(shè)計(jì)應(yīng)用三

幾種新型高性能生物電放大器

設(shè)計(jì)應(yīng)用一

該放大電路由四部分構(gòu)成：儀用放大器A5構(gòu)成的前級(jí)放大器，運(yùn)放A4構(gòu)成后級(jí)差分放大器，直流補(bǔ)償放大器A3以及A1、A2構(gòu)成右腿驅(qū)動(dòng)電路，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。這個(gè)電路突出的優(yōu)點(diǎn)是引入了直流補(bǔ)償電

路，使最初的直流耦合放大器成為交流耦合放大器，來去除極化電壓的影響。

因?yàn)闃O化電壓最大可以達(dá)到300mV，所以在交流耦合中減少極化電壓的影響是必須的。在這個(gè)電路中，采用了直流補(bǔ)償放大器來抵消直流偏移量。以心電采集為例，如果左臂直流偏移量為+300mV，右臂為0V，那么，差動(dòng)輸入電壓為300mV。假設(shè)前級(jí)儀用放大器增益為5，那么，儀用放大器輸出幅值會(huì)達(dá)到1.5V，如果后級(jí)放大倍數(shù)為50或者更高，輸出并不會(huì)出現(xiàn)達(dá)到75V從而飽和的情況。因?yàn)樵谶@個(gè)電路中，反饋回路提供了一個(gè)相等的反相電壓給參考點(diǎn)，由于這種線性加和的影響，極化電壓被消除，輸出飽和的情況不會(huì)出現(xiàn)。

然而，絕大多數(shù)的集成化儀用放大器的共模抑制比與增益相關(guān)：增益越高，共模抑制比越大。而集成化儀用放大器作為生物電前置放大器時(shí)，由于極化電壓的存在，前置放大器的增益只能在幾十倍以內(nèi)，這就使得集成化儀用放大器作為前置放大器時(shí)的共模抑制比不可能達(dá)到最高。

對(duì)于該電路，選擇器件時(shí)要注意：作為前級(jí)放大器的儀用放大器在低增益時(shí)要求有較高的共模抑制比，由于其后有直流補(bǔ)償電路以及該級(jí)放大倍數(shù)很小，所以，對(duì)儀用放大器輸入失調(diào)電壓要求不是太高。對(duì)于正負(fù)電源供電的系統(tǒng)，可以選用ADI公司的儀用放大器AD620。它具有以下特性：增益可調(diào)（1~1000）；供電范圍寬（2.3V~18V）；輸入失調(diào)電壓最大為50V；輸入偏置電流最大為1nA；增益較低時(shí)具有較大的共模抑制比（G=10時(shí)，共模抑制比最小為100dB）等，滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于后級(jí)差分放大器運(yùn)放A4來說，放大倍數(shù)主要在這一級(jí)實(shí)現(xiàn)，所以要求運(yùn)放有很低的輸入失調(diào)電壓。可以選用ADI公司的OP747（四運(yùn)放）、OP2177（雙運(yùn)放），均具有微伏量級(jí)的失調(diào)電壓和良好的性能。

設(shè)計(jì)應(yīng)用二

該電路由四部分構(gòu)成：并聯(lián)型雙運(yùn)放構(gòu)成的前級(jí)放大器，阻容耦合電路，由集成儀用放大器構(gòu)成的后級(jí)放大器和共模信號(hào)取樣驅(qū)動(dòng)電路，電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

并聯(lián)型雙運(yùn)放的優(yōu)點(diǎn)是不需精密的匹配電阻，理論上它的共模抑制比為無窮大，且與其外圍電阻的匹配程度無關(guān)。但是并聯(lián)型雙運(yùn)放的輸出為雙端差動(dòng)輸出信號(hào)，如果僅用單端輸出信號(hào)時(shí)將不再具有這一優(yōu)點(diǎn)。所以本電路在后級(jí)使用集成儀用放大器A5，將雙端差動(dòng)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為常用的單端輸出信號(hào)。集成儀用放大器具有較優(yōu)良的性能，但由于其共模抑制比正比于差模增益，而同時(shí)器件存在較高的失調(diào)電壓且通常信號(hào)源中存在較大的直流偏移電壓（如檢測生理電信號(hào)時(shí)的極化電壓和傳感器中的零點(diǎn)偏移電壓），在直接應(yīng)用集成儀用放大器作為前置放大器時(shí)并不能取得最高的共模抑制比性能。于是本電路在后級(jí)使用集成儀用放大器，并采用阻容耦合電路隔離直流信號(hào)，因而可使得集成儀用放大器取得較高的差模增益，從而得到很高的共模抑制比性能。共模取樣驅(qū)動(dòng)電路由兩個(gè)等值電阻R4 、R5和一只由運(yùn)算放大器A3組成的跟隨器構(gòu)成。A3的輸入信號(hào)取自A1和A2輸出端兩個(gè)串聯(lián)電阻的中點(diǎn)電壓Vc，即當(dāng)只有差模信號(hào)的輸出V01=V02時(shí)，有VC=0，則運(yùn)放A3的輸出電壓為0，等同于接地；而當(dāng)兼有共模電壓和差模信號(hào)輸入時(shí)，A3的總輸出只包含輸入信號(hào)的共模部分VC=1/2(Vi1+Vi2)。從而使得共模信號(hào)不經(jīng)阻容耦合電路的分壓直接加在集成放大器的輸入端，避免了由于阻容耦合電路的不匹配而降低電路整體的共模抑制比。 經(jīng)過實(shí)際測量，圖2所示的電路采用圖中所給出的參數(shù)時(shí)，電路的共模抑制比在120dB以上。使用這個(gè)電路選擇器件時(shí)要注意：作為后級(jí)放大器的儀用放大器的輸入失調(diào)電壓要盡可能小，因?yàn)楹蠹?jí)承擔(dān)著主要的放大作用。可以選用ADI公司的AD620，輸入失調(diào)電壓最大為50V。

設(shè)計(jì)應(yīng)用三

該電路由四部分構(gòu)成：高通網(wǎng)絡(luò)，并聯(lián)型雙運(yùn)放放大器，帶有積分反饋電路的高通差分放大器和共模信號(hào)取樣驅(qū)動(dòng)電路，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。這個(gè)放大電路有兩個(gè)不同于以往其它生物前置放大器的特點(diǎn)：1. 高通網(wǎng)絡(luò)放在了放大電路的前端；2. 放大電路的放大倍數(shù)都做在前級(jí)放大即并聯(lián)型雙運(yùn)放上。

在這個(gè)放大器設(shè)計(jì)中，信號(hào)輸

入的高通網(wǎng)絡(luò)是不接地的，如果輸入一個(gè)共模電壓，在網(wǎng)絡(luò)中沒有電流流過（沒有共模電流的通路），高通網(wǎng)絡(luò)中各點(diǎn)電位相等，不會(huì)變共模信號(hào)為差模信號(hào)，可以達(dá)到很高的共模抑制比。此外，由于生物體信號(hào)源的內(nèi)阻一般較高，因此設(shè)計(jì)時(shí)盡可能選取大阻值的R1和R2(M級(jí))，可以比較好地滿足電路需要。

對(duì)于一個(gè)多級(jí)放大系統(tǒng)來說，將前級(jí)的放大倍數(shù)盡可能作大，有利于降低后面各級(jí)放大器的噪聲，從而使整個(gè)系統(tǒng)的噪聲降低。但是由于極化電壓以及運(yùn)放本身輸入失調(diào)電壓的影響，前級(jí)增益不可能太大。高通網(wǎng)絡(luò)比較好地解決了直流輸入電壓（極化電壓）的問題，但是，運(yùn)放本身的輸入失調(diào)電壓被放大后，仍然會(huì)明顯地影響輸出的動(dòng)態(tài)范圍。比如1mV的輸入失調(diào)電壓，放大1000倍后,放大器輸出將會(huì)達(dá)到1V。高通網(wǎng)絡(luò)中的電阻電容也會(huì)給系統(tǒng)帶來噪聲影響，這也是以往的生物電前置放大器設(shè)計(jì)中不將隔直電容放在系統(tǒng)前端的原因之一。該電路中采用高通差分放大器解決這個(gè)問題。在后級(jí)差分放大器的反饋回路中，加入了一個(gè)積分器，其對(duì)交流信號(hào)沒有作用，只對(duì)直流和極低頻信號(hào)積分，抵消其影響。右腿驅(qū)動(dòng)電路通過一個(gè)跟隨器接入電路，可以避免右腿信號(hào)對(duì)電路穩(wěn)定性的影響，抑制工頻干擾。

經(jīng)過實(shí)際測量，圖3所示的電路采用圖中所給出的參數(shù)時(shí)，考慮到電阻電容匹配問題，該電路的共模抑制比可以達(dá)到123dB。設(shè)計(jì)應(yīng)用三中，雖然放大倍數(shù)都做在前級(jí)并聯(lián)型的雙運(yùn)放上，但是前有高通網(wǎng)絡(luò)，后有積分反饋電路，因此對(duì)雙運(yùn)放要求不高。作為后級(jí)差分放大的運(yùn)放，因?yàn)椴蛔龇糯蟊稊?shù)，所以也不用特意要求較低的失調(diào)電壓。在本電路中要盡可能使電阻電容匹配，使系統(tǒng)性能達(dá)到最佳。 

幾種生物電前置放大器的比較

集成化儀用放大器的共模抑制比與增益相關(guān)。增益越高，共模抑制比越大。而集成化儀用放大器作為生物電前置放大器時(shí)，由于極化電壓的存在，前置放大器的增益只能在幾十倍以內(nèi)，這就使得集成化儀用放大器作為前置放大器時(shí)的共模抑制比不可能達(dá)到最高。

結(jié)合共模驅(qū)動(dòng)技術(shù)的阻容耦合電路和積分反饋電路，無論放在電路前端或中間，目的都是為了去除經(jīng)過放大后對(duì)生物信號(hào)造成影響的極化電壓和器件中較高的失調(diào)電壓。

在設(shè)計(jì)應(yīng)用一中，前級(jí)放大器由儀用放大器構(gòu)成，增益較低，為了達(dá)到較高的共模抑制比，就要求儀用放大器在較低增益時(shí)有高共模抑制比。經(jīng)前級(jí)放大信號(hào)中的直流成分（包括極化電壓以及儀用放大器的輸入失調(diào)電壓）由直流補(bǔ)償電路消除。后級(jí)放大器承擔(dān)著主要的放大任務(wù)，因此對(duì)運(yùn)放輸入失調(diào)電壓有著較高的要求，不能過大，以免高增益放大后，影響輸出信號(hào)。

在設(shè)計(jì)應(yīng)用二中，并聯(lián)型雙運(yùn)放放大器作為前級(jí)放大器，增益較低。它不需精密的匹配電阻，理論上它的共模抑制比為無窮大，且與其外圍電阻的匹配程度無關(guān)。經(jīng)前級(jí)放大后的信號(hào)經(jīng)過共模取樣驅(qū)動(dòng)電路去除直流分量。儀用放大器作為后級(jí)放大器，承擔(dān)著主要的放大任務(wù)，由于其共模抑制比正比于差模增益，因此可以達(dá)到極高的共模抑制比，但同樣要求儀用放大器輸入失調(diào)電壓不能過大，否則高增益放大后會(huì)影響信號(hào)輸出。 在

設(shè)計(jì)應(yīng)用三中，前端的高通網(wǎng)絡(luò)濾除了極化電壓，使得作為前級(jí)放大器的并聯(lián)型雙運(yùn)放可以承擔(dān)主要的放大任務(wù)而不致使輸出飽和，高增益的前級(jí)放大可以減小系統(tǒng)的噪聲，而運(yùn)放本身的輸入失調(diào)電壓經(jīng)高增益放大后由后級(jí)高通差分放大器反饋回路中的積分器消除。但是在該設(shè)計(jì)中要注意電阻、電容的匹配，來達(dá)到極高的共模抑制比。 

結(jié)語

本文對(duì)幾種高性能、低成本的生物電前置放大器進(jìn)行了分析比較，它們巧妙地利用了儀用放大器的共模抑制比與增益的關(guān)系，結(jié)合阻容耦合電路、積分反饋電路和共模驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了放大器的高性能，適合于生物電信號(hào)的檢測應(yīng)用。