新型腦電信號(hào)放大檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　腦電信號(hào)(EEG]是由腦神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生并且始終存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的自發(fā)性電位活動(dòng)，含有豐富的大腦活動(dòng)信息，是大腦研究、生理研究、臨床腦疾病診斷的重要手段。通過對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行記錄，以提供臨床數(shù)據(jù)和診斷的依據(jù)。因此腦電信號(hào)的提取具有非常重要的臨床意義。

　　2 設(shè)計(jì)時(shí)常遇到的技術(shù)困難

　　(1)腦電信號(hào)十分微弱，一般只有50μV左右，幅值范圍為5μV～100 μV。因此它要求放大增益比一般儀器要高得多;

　　(2)腦電信號(hào)頻率低，其范圍一般在0.5 Hz~35Hz，這使得放大器的低頻截止的選擇非常困難，當(dāng)受到尖峰脈沖干擾或?qū)?lián)切換的時(shí)候，放大器容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象;

　　(3)存在工頻50 Hz和極化電壓等強(qiáng)大的背景干擾。其中工頻50Hz干擾主要以共模形式存在，幅值較大，所以腦電信號(hào)放大器必須具有很高的共模抑制比。而極化電壓干擾的存在使得腦電放大器的前級(jí)增益不能過大;

　　(4)由于人體是一個(gè)高內(nèi)阻信號(hào)源，內(nèi)阻可達(dá)幾十千歐乃至幾百千歐，而且它的內(nèi)阻抗既易于變化，又可能各支路不平衡，所以，腦電信號(hào)放大器的輸入阻抗必須在幾兆歐以上。

　　可見，要設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的腦電信號(hào)放大器，要求前置放大器必須具有輸入阻抗高、共模抑制比高(CMBR)、噪聲低、非線性度小、抗干擾能力強(qiáng)以及合適的頻帶和動(dòng)態(tài)范圍等性能，這使得放大器的設(shè)計(jì)存在較大的困難，但這也是整個(gè)腦電信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)能否成功最重要的關(guān)鍵性的一個(gè)環(huán)節(jié)。

　　3 信號(hào)放大檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

　　腦電信號(hào)放大檢測(cè)電路如圖1所示。由該圖可知，該部分主要由緩沖級(jí)、前置差分放大電路、50 Hz工頻陷波電路、電壓放大電路、低通濾波器電路、電平調(diào)節(jié)電路、線性光耦合電路等組成。

　　在人體和腦電前置放大器之間設(shè)置緩沖級(jí)主要是為了實(shí)現(xiàn)更高的輸入阻抗，電平調(diào)節(jié)電路是為了滿足A/D轉(zhuǎn)換器輸入量程的需要。

　　3.1 前置差分放大電路

　　3.1.1 電路組成及特性

　　前置放大是整個(gè)腦電圖儀的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)在“三運(yùn)放”的基礎(chǔ)上，通過采用新型的電路結(jié)構(gòu)，巧妙地利用了儀器放大器共模抑制比與增益的關(guān)系(見表1)，并結(jié)合阻容耦合電路、共模驅(qū)動(dòng)技術(shù)、浮地跟蹤電路等，可以在抑制直流干擾的情況下提供較高的共模抑制比，具有對(duì)外圍無源器件參數(shù)不敏感的特點(diǎn)。具體電路設(shè)計(jì)見圖2。

　　UlA、UlB構(gòu)成并聯(lián)型雙運(yùn)放儀器放大器，在運(yùn)算放大器為理想的情況下，并聯(lián)型差動(dòng)放大器的輸入阻抗為無窮大，共模抑制比也為無窮大，且其共模抑制比與外圍電阻的匹配程度無關(guān)。該部分電路具有提高輸入阻抗和提供電壓緩沖的作用。

　　阻容耦合電路由C1、C2、R6、R7等構(gòu)成，主要起隔離極化直流信號(hào)的作用，為后級(jí)儀器放大器提高增益，進(jìn)而為提高電路的共模抑制比創(chuàng)造了條件。

　　LT1167構(gòu)成后級(jí)放大器，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)。該級(jí)可做到很高的增益(通過改變Rg的大小)，從而得到較高的共模抑制比。

　　共模信號(hào)取樣驅(qū)動(dòng)電路由兩個(gè)等值電阻R4、R5和由UlC構(gòu)成的電壓跟隨器等組成。由于U1A和U1B構(gòu)成的并聯(lián)型雙運(yùn)放儀器放大器的輸出阻抗很低，通過采用共模驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可避免阻容耦合電路中的阻、容元件參數(shù)不對(duì)稱導(dǎo)致的共模干擾轉(zhuǎn)換成差模干擾的情況發(fā)生。

　　人體地共模反饋電路(右腿驅(qū)動(dòng)電路)。由共模取樣驅(qū)動(dòng)電路取出的兩電極共模電壓經(jīng)過U2A(電壓跟隨器)和UlD(反相放大)后回饋到頭部，跟原來的共模電壓相加，形成共模電壓負(fù)反饋電路，減小了共模電壓的輸入值，從而提高了電路抵抗工頻干擾的能力。

　　由共模取樣驅(qū)動(dòng)電路取出的兩電極共模電壓經(jīng)過R13接至兩輸入電極的屏蔽層。它可以減少引線分布電容的分流效應(yīng)，使其對(duì)放大器的輸入阻抗影響盡可能地減少，從而使CMRR不降低。

　　浮地跟蹤電路(又稱為浮地跟隨器)由U2B、R17構(gòu)成，R17一端接前端部分正、負(fù)電源的公共端，從而使電源浮置起來。如果U2B具有理想特性，則使正、負(fù)電源電壓的漲落幅度與共模輸入電壓的大小完全相同。雖然共模輸入電壓仍舊加在U1A、U1B的同相端，但卻因放大器本身電源對(duì)共模輸入信號(hào)的跟蹤作用，使其影響大大削弱。即使U1A、UlB的參數(shù)不完全對(duì)稱，但由于有效共模電壓減少了，轉(zhuǎn)化為差動(dòng)而形成的誤差電壓就很少了，相當(dāng)于提高了前置級(jí)的共模抑制能力。

　　在圖2中，UlC的輸入信號(hào)取自U1A(輸入為Vin1、輸出為V01)和U1B(輸入為Vin2、輸出為V02)輸出端兩個(gè)串聯(lián)電阻R4和R5的中點(diǎn)電壓Vc，即Vc=l/2x(V01+V02)，當(dāng)只有差模信號(hào)(V01=-V02)的輸出時(shí)，Vc=0，則運(yùn)放UlC的輸出電壓等于O，等同于接地;而當(dāng)有共模電壓和差模信號(hào)輸入時(shí)，U1C的總輸出中只包含輸入信號(hào)的共模部分Vc=l/2x(Vin1+Vin2)。從而使得共模信號(hào)不經(jīng)阻容耦合電路的分壓而直接加在集成儀用放大器U3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。

　　圖2所示電路的差動(dòng)輸出可以由式(1)計(jì)算：

　　其中Adu3是集成儀表放大器LT1167的差模放大倍數(shù)，且Adu3=(49.9 kΩ/Rg)+1

　　該電路的高通截止頻率fc可以表示為：

　　其中：F1、F2、…為各級(jí)放大器的噪聲系數(shù)，K1、K2…為各級(jí)放大器的功率增益?？梢姸嗉?jí)放大器的噪聲系數(shù)將主要由第一級(jí)噪聲決定。前置放大的總等效輸入噪聲電壓與閉環(huán)增益成反比，適當(dāng)加大第一級(jí)的差模放大倍數(shù)有利于降低噪聲。所以在設(shè)計(jì)中挑選了具有很低噪聲的集成運(yùn)算放大器LMH6626，后級(jí)放大器選用LT1167。

　　3.1.2 器件介紹

　　LMH6626是美國國家半導(dǎo)體公司推出的一種雙超低噪聲寬帶運(yùn)算放大器。其主要性能特點(diǎn)如下：

　　噪聲極低，輸入電壓噪聲低至0.92 nV/(Hz)1/2(典型值)，輸入電流噪聲典型值為1.8 pA/(Hz)1/2;

　　增益帶寬達(dá)1.3 GHz;

　　電源電壓為±6 V時(shí)，輸入失調(diào)電壓為土o.1mV，溫度漂移為±0.1μV/℃，輸入失調(diào)電流典型值為0.05μA，溫度漂移為0.7 nA/℃;

　　開環(huán)增益為81 dB(典型值)時(shí)，共模抑制比CMRR達(dá)95 dB，壓擺率(SR)為340 V/μs;

　　LTll67是Linear公司的新型儀表放大器，它結(jié)合了FET運(yùn)放和雙極型運(yùn)放的優(yōu)點(diǎn)，其高輸入阻抗和低偏置電流接近FET器件，而噪聲水平跟雙極型運(yùn)放相同。具體的性能指標(biāo)如下：

　　激光修剪電阻保證共模抑制比CMRR>110dB(G=10);

　　高輸入阻抗l 000GΩ，并聯(lián)1 pF;噪聲電壓0.28μVp-p，噪聲電流10 pAp-p(0.1 Hz～10 Hz);

　　輸入偏置電流50pA;靜態(tài)工作電流<13 mA。

　　LTll67比較適用于醫(yī)療儀器。其CMRR和閉環(huán)差模增益的關(guān)系見表1。

　　3.2 線性光耦合電路

　　隔離放大器具有極好的抗共模干擾能力，能有效地阻斷前置放大電路和后級(jí)數(shù)據(jù)采集電路之間的電聯(lián)系，但并不切斷它們之間的信號(hào)傳遞。因此在腦電信號(hào)采集系統(tǒng)中采用隔離是必要的、也是可行的。該功能的實(shí)現(xiàn)一般由變壓器及光耦合元件完成，其中變壓器用于耦合交流信號(hào)，而光耦合器則用于直流信號(hào)的耦合。

　　以前光隔離產(chǎn)品一般不用在線性電路中，而只是將LED和光敏二極管構(gòu)成的光電耦合器應(yīng)用在數(shù)字信號(hào)隔離中，主要原因是這個(gè)時(shí)期的光電耦合器存在一定的非線性和不穩(wěn)定性，使得該類器件不太適合腦電信號(hào)這樣極微弱的生理電信號(hào)的高精度測(cè)量。而變壓器隔離則有體積大、接線復(fù)雜等不足。

　　LOCllO線性光耦合器是美國CLARE公司生產(chǎn)的新型光耦合器，與一般光耦合元件不同的是，LOC110在伺服模式設(shè)計(jì)下運(yùn)作，以補(bǔ)償發(fā)光二極管的非線性時(shí)間及溫度特性，能同時(shí)耦合交流及直流信號(hào)。LOCllO為取代腦電信號(hào)采集應(yīng)用中大體積變壓器及非線性光耦合器提供了另一種更佳的選擇。

　　LOCll0有光電壓和光電導(dǎo)兩種工作模式。光電壓模式下使用LOCllO光耦合器可達(dá)到最佳的線性度，最低的干擾及漂移性能。在這種模式下，電路線性度可以達(dá)到12位元，雖然這是以40 kHz的較小帶寬為代價(jià)的，但并不影響我們?cè)谠撛O(shè)計(jì)中的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中，LOC110工作在光電壓模式下，其原理見圖3。

　　圖3中定義：伺服增益K1=I1/IF，K2=I2/IF，K3=K2/K1，IF為發(fā)光二極管的順向電流。則Vin=I1.R1=IF.K1.R1，Vout=I2·R2=IF·K2·R2，即Vout=Vin·(K2.R2)/(K1.R1)=Vin·K3·R2/Rl，一般取Kl=K2，所以Vout=Vin.R2/R1，即Vout與R2/R1成正比。

　　3.3 5O Hz工頻陷波電路

　　工頻干擾是腦電信號(hào)的主要干擾，雖然前置放大電路對(duì)共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用，但部分工頻干擾是以差模信號(hào)方式進(jìn)入電路的，且頻率處于腦電信號(hào)的頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素，前級(jí)電路輸出的腦電信號(hào)仍存在較強(qiáng)的工頻干擾，所以必須專門濾除。具體設(shè)計(jì)見圖4，仿真曲線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線見圖5(a)、(b)。圖4中的LT1112是Linear公司生產(chǎn)的雙路低功耗、高精度、皮安輸入運(yùn)算放大器。

　　3.4 電壓放大電路

　　由于腦電信號(hào)頻率低，因此該電路采用交流自舉技術(shù)，使得在低頻時(shí)也具有很高的輸入阻抗，從而具有較強(qiáng)的交流耦合能力。自舉要完全發(fā)揮作用，必須在圖4中R1的下端提供特別靠近其上端的電壓。這樣，電阻R1上流過的電流就很小，因而阻抗就很大。否則，就發(fā)揮不出自舉效果。其輸入阻抗ZIN=Xcl+Rl+R2+R1·R2/KC2≈R1.R2/XC2。按照?qǐng)D4電路中的參數(shù)可以求得：ZIN(1 Hz)=188.46 kΩ，ZIN(10 Hz)=2 MΩ，如想進(jìn)一步提高輸入阻抗，則必須增大Rl、R2、C2的數(shù)值。具體設(shè)計(jì)見圖6。

　　3.5 低通濾波器的設(shè)計(jì)

　　低通濾波器擔(dān)負(fù)著抑制廣譜噪聲和在ADC之前抗混疊的雙重任務(wù)，兩者都要求低通濾波器的通帶盡可能平坦，滾降速率越快越好，以便獲得較高的信噪比。根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)，選用巴特沃斯型三階濾波器，截止頻率選100 Hz。具體設(shè)計(jì)見圖7，仿真曲線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線見圖8(a)、(b)。

　　4 結(jié)束語

　　本課題隸屬于廣西壯族自治區(qū)教育廳科研項(xiàng)目：《高性能數(shù)字化腦電診斷和監(jiān)護(hù)機(jī)的研制》(桂科教研[2004]20號(hào))。由于腦電信號(hào)十分微弱并存在較強(qiáng)的干擾，因而使得測(cè)量比較困難，通過對(duì)電路結(jié)構(gòu)的精心設(shè)計(jì)和選用新器件，可以克服腦電信號(hào)提取中常遇到的一些困難，使前置放大器具有較高的共模抑制比，從而能夠較好地放大檢測(cè)出的腦電信號(hào)。在設(shè)計(jì)的過程中，通過PspICe仿真軟件有助于電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試。如果再結(jié)合數(shù)據(jù)采集電路并通過USB接口，就能夠?qū)崿F(xiàn)腦電信號(hào)在上位機(jī)的顯示、分析等功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腦電信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使之具有比傳統(tǒng)腦電設(shè)備更好的性能。

　　腦電信號(hào)屬于一種比較微弱的人體生理電信號(hào)，通過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，該電路也可以用于測(cè)量其他人體生理電信號(hào)或其他微弱信號(hào)。