新型的高性能生物電放大器

摘要：本文提出了一種新型的高性能生物電前置放大器。電路采用TI公司的低價(jià)儀器放大器和運(yùn)算放大器構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，不需調(diào)試，但性能優(yōu)異，可望在醫(yī)學(xué)儀器和各種工業(yè)測控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：放大器，生物電，輸入阻抗，共模抑制比

一．引言 生物電信號十分微弱，在檢測生物電信號的同時(shí)存在強(qiáng)大的干擾，如工頻50Hz和極化電壓等干擾。前者主要是以共模形式存在，幅值可達(dá)幾V甚至幾十V，所以生物電放大器必須具有很高的共模抑制比。后者是由于測量電極與生物體之間構(gòu)成化學(xué)半電池而產(chǎn)生的直流電壓，最大可達(dá)300mV，因此，生物電放大器的前級增益不能過大，或者需要采用超低頻的交流放大器。由于信號源內(nèi)阻可達(dá)幾十KW、乃至幾百KW，所以，生物電放大器的輸入阻抗必須在幾MW以上。綜上所述，設(shè)計(jì)高質(zhì)量的生物電放大器有許多技術(shù)困難。因此，設(shè)計(jì)高質(zhì)量的生物電放大器一直受到國內(nèi)外專家和學(xué)者所重視[1~6]。

近年來，微電子技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，出現(xiàn)了許多高性能的集成化儀器放大器，如美國TI公司、ADI公司和Linear公司等生產(chǎn)了很多不同檔次的集成化儀器放大器，為設(shè)計(jì)生物電放大器提供了充分的選擇。然而，由于生物電信號檢測的特殊性，直接采用集成化儀器放大器來作為生物電放大器，仍然存在許多問題，效果并不能令人滿意。

本文介紹了使用TI公司生產(chǎn)的廉價(jià)集成化儀器放大器和運(yùn)算放大器，設(shè)計(jì)了一種新的結(jié)構(gòu)形式的高性能生物電放大器，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，不需調(diào)試，但性能十分優(yōu)異[7]。

二．新型高性能生物電放大器的設(shè)計(jì) 一般說來，集成化儀器放大器具有很高的共模抑制比和輸入阻抗，因而在傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中都是把集成化儀器放大器作為前置放大器。然而，絕大多數(shù)的集成化儀器放大器，特別是集成化儀器放大器，它們的共模抑制比與增益相關(guān)：增益越高，共模抑制比越大。而集成化儀器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)，這就使得集成化儀器放大器作為前置放大器時(shí)的共模抑制比不可能很高。有學(xué)者試圖在前置放大器的輸入端加上隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）來避免極化電壓使高增益的前置放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)，但由于信號源的內(nèi)阻高，且兩輸入端不平衡，隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）使等共模干擾轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_，結(jié)果適得其反，嚴(yán)重地?fù)p害了放大器的性能。

為了實(shí)現(xiàn)高性能的生物電放大器，本文提出了如圖1所示的電路結(jié)構(gòu)：

1. 前級采用運(yùn)放A1和A2組成并聯(lián)型差動放大器。理論上不難證明，在運(yùn)算放大器為理想的情況下，并聯(lián)型差動放大器的輸入阻抗為無窮大，共模抑制比也為無窮大。更值得一提的是，在理論上并聯(lián)型差動放大器的共模抑制比與電路的外圍電阻的精度和阻值無關(guān)。

2. 阻容耦合電路（行業(yè)內(nèi)稱為時(shí)間常數(shù)電路）放在由并聯(lián)型差動放大器構(gòu)成的前級放大器和由儀器放大器構(gòu)成的后級放大器之間，這樣可為后級儀器放大器提高增益，進(jìn)而提高電路的共模抑制比提供了條件。同時(shí)，由于前置放大器的輸出阻抗很低，同時(shí)又采用共模驅(qū)動技術(shù)，避免了阻容耦合電路中的阻、容元件參數(shù)不對稱（匹配）導(dǎo)致的共模干擾轉(zhuǎn)換成差模干擾的情況發(fā)生。

3. 后級電路采用廉價(jià)的儀器放大器，將雙端信號轉(zhuǎn)換為單端信號輸出。由于阻容耦合電路的隔直作用，后級的儀器放大器可以做到很高的增益，進(jìn)而得到很高的共模抑制比。

從理論上計(jì)算整個電路的共模抑制比為：

式中：CMR_Total或CMRR_Total－放大器的總共模抑制比；CMR1－第一級放大器的共模抑制比；CMR2或CMRR2－第二級放大器的共模抑制比；A1d、A1c、A2d和A2c－分別為第一級放大器和第二級放大器的差模增益和共模增益。

圖1 高性能生物電放大器

經(jīng)過實(shí)際測量，圖1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。

為了進(jìn)一步提高電路的實(shí)用性，提高電路對工頻干擾的能力，圖2所示電路中增加了生物電信號檢測中常用而有效的右腿驅(qū)動電路[8]。限于篇幅，這里不再贅述。

圖2 具有右腿驅(qū)動的生物電放大器

三．結(jié)束語 本文提出了一種新型結(jié)構(gòu)的高性能、低成本、免調(diào)試的生物電放大器。該放大器巧妙地利用了儀器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、共模驅(qū)動技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了放大器的高性能，特別適合于生物電信號檢測的應(yīng)用，該電路也適合于其它交流信號的測控系統(tǒng)中。

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[4] 李剛、曹紅斌，一種低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì)，中國醫(yī)療器械雜志，第13卷第1期，1989：18-19。

[5] 李剛，林凌，曹玉珍，于學(xué)敏，12導(dǎo)D/AC反饋型心電信號放大器的研究，儀器儀表學(xué)報(bào)，第21卷第5期，pp124-126,2000年10月。

[6] 李剛，虞啟璉，于學(xué)敏，高性能多通道生物電放大器，天津大學(xué)學(xué)報(bào)，第33卷第5期，2000年9月，分類號：TH772+.1；文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A；文章編號：0493-2137(2000)05-0648-04。

[7] 李剛，高共模抑制比前置放大器，中國專利，申請?zhí)枺?2129065.2。

[8] Bruce B. Winter & John G. Webster, Driven-Right-Leg Circuit Design. IEEE Trans. 1983, BME-30(1):58-62.