新型脑电信号前置级放大电路设计.PDFVIP

2006年 6月 第29卷第6期 重庆大学学报(自然科学版) ~umal of Chongqing University(Natural Science Edition) Jun．2006 Vo1．29 No．6 文章编号：1000—582X(2006)06—0051—03 新型脑电信号前置级放大电路设计 王 三 强 ，何 为 ，石 坚 (重庆大学 电气工程学院 高电压与电工新技术教育部重点实验室，重庆 400030) 摘 要：脑电信号检测中前置级放大电路是信号预处理中最关键的环节，其设计优劣直接关系到脑 电数据采集系统的精度，在现有生物电放大器研究的基础上，改进并设计了一种符合脑电信号特征的新 型高性能前置级放大电路，该电路避免了传统生物电放大电路冗繁的模拟滤波环节，结构简单，调试方 便．文中对该电路作了详细的理论分析和实验论证，实验结果证明，该电路达到了设计要求，为脑电放大 器及其它微弱生物电放大器的研制及发展提供了一个新思路． 关键词：脑电信号；前置放大；极化电压；共模抑制比 中图分类号：TM935．2 文献标识码：A 脑电信号检测应视为微弱信号检测的一种，脑电 信号的输入信噪比可达 1：10 ，而脑电信号的幅值属 于微伏级．因此，只有抑制噪声，才能检测出信号．脑电 图机是伴随着现代电子技术的发展而不断完善的，但 其基本测量原理没变：通过专用的电极提取脑电信号， 经过差分放大电路进行前置放大、必要的信号处理以 及后级放大．在这样的多级放大电路中，前置级放大电 路设计的优劣直接关系着整个脑电数据采集系统的精 度，必须充分重视 J． 在研究脑电信号的放大过程中，笔者把心电信号 作为参照．脑电信号和心电信号都具有不稳定性、非线 性和随机性的基本特征，都属于微弱的生物电信号，具 有强干扰的背景，检测放大的工作原理基本相同．但由 于脑电信号的幅值范围为 l0 V到100 IV，比标准心 电信号微弱得多，因此脑电图机的放大增益比心电图 机的放大增益也要高得多，心电图机一般放大 1 000倍 左右，而脑电图机则需要放大20 000倍以上．其次由 于信号太微弱，相对于心电信号检测，同样大小的共模 干扰对脑电信号检测将会造成更严重的影响，因此要 求脑电图机具有比心电图机更高的共模抑制比，心电 图机的共模抑制比一般为 80 dB，而脑电图机的共模 抑制比应在 120 dB以上．再次，脑电电极比心电电极 要小得多，所以它具有较高的信号源阻抗，要求在前置 级放大电路的设计中，脑电图机应该比心电图机具有 更高的输入阻抗，其值至少应大于10 MI)，而心电图机 前置放大器的输入阻抗一般要求大于2MI)即可 J． 心电图机和脑电图机的前置级放大电路通常采用差动 电路结构．为最大限度地提高输入阻抗及共模抑制比， 目前生物 电放大器前 置级 电路普 遍采用 的是 由 O’Brient提出的非常经典的同相并联结构的前置级放 大电路 ．这种结构的电路由3个基本运算放大器构 成，其中2个组成同相并联输入第一级放大，以提高放 大器的输入阻抗，另一个为差动放大，作为放大器的第 二级，其共模抑制比取决于第一级放大电路中2个运 放共模抑制比的对称程度、第二级放大电路运放的共 模抑制比、差动放大级的闭环增益以及电阻的匹配精 度等．早期生物电信号尤其是脑电信号的采集往往因 为器件的因素而无法取得很好的效果． 近年来，微电子技术得到迅猛的发展，出现了许多 高性能的由同相并联结构的三运放电路集成的仪表放 大器，如美国TI公司、BB公司和 Linear公司等生产了 很多不同档次的集成化仪表放大器，为设计生物电放 大器提供了充分的选择，为在集成化的仪表放大器的 基础上设计生物电信号前置级电路提供了较为便利的 条件． 1 生物电前置级电路分析 以 BB公司的仪表放大器 INA128为例，其内部电 路如图 1所示． 当由该电路构成生物电信号前置级放大电路，只 要将第 5脚接地，3脚和2脚接差动输入，8脚和 1脚接 调节增益的电阻，INA128最大增益可达到 10 000倍，经 过激光调节，器件内部电阻精度很高 ，运放对称度高． · 收稿日期 ：2006—01—20 作者简介：王三强(1975一)，男，黑龙江齐齐哈尔人 ，重庆大学硕士研究生，主要从事生物电测量及电子检测方面的研究 52 重庆大学学报(自然科学版) 2006生 圈 1 INA128集成的三运放电路内部结构图 但在实际的脑电信号提取中，由于与电极接触的是电 解质溶液，如导电膏、人体汗液或组织液，因而会形 成一个金属电解质溶液界面．由电化学知识可知，在 金属和电解液之间会形成电荷分布，产生一定的电位 差，称为电极极化电压．极化电压的幅值一般较高，在 几毫伏到几百毫伏之间．理想情况下，在用双电极提取 人体