[初中教育]第三章生物医学常用放大器.ppt

第三章 生物医学常用放大器 从人体获得的生物医学信号，再经过滤波、放大、显示等一系列处理过程，才能为医学研究和临床诊断提供可靠的客观依据。 本章在前面放大电路基本原理的基础上，首先介绍生物电信号特点、频谱及常用的几种滤波电路，然后重点讨论负反馈放大器、直流放大器的工作原理及特点，最后简述功率放大器。 主要内容 第一节 生物医学信号的特点及频谱 第二节 常用滤波电路 第三节 负反馈放大器 第四节 直流放大器 第五节 功率放大器 第一节 生物医学信号的特点及频谱 携带生物信息的信号称为生物信号。其中生物电信号是由于人体内各种神经细胞自发地或在各种刺激下产生和传递的电脉冲，肌肉在进行机械活动时也伴有电活动所产生的信号，如心电、脑电、肌电等。非生物电信号是由于人体各种非电活动产生的信号，如心音、血压波、呼吸、体温等。医学中还常通过在人体上施加一些物理因素的方法来获得生物信号，如各种阻抗图，它以数十千赫交流电通过人体的一定部位，获得阻抗或导纳变化的波形图；又如超声波诊断仪器，它向人体发射脉冲式的超声波，通过回波方式获得的生物信号。另外还有通过在体外检测人体样品的仪器、生理参数遥测仪器和放射性探测仪器等获取的生物信号。上述诸多的生物信号被统称为生物医学信号。 一. 生物电信号的特点及其放大器 生物电信号的频带主要在低频和超低频范围内，各种生物电中包含了频率很低的成分。在第二章中介绍的阻容耦合多级放大器很难通过这种频率的信号，所以本章将介绍适应这种频率特点的直流放大器。 通常生物电信号的幅度较低，只有毫伏级甚至微伏级，而普通的电子元件的噪声相当于数微伏无规则电压，为了使生物电信号不被噪声淹没，放大器的前级必须选用高质量的电阻和电容，低噪声的场效应管，电源也要采取特殊稳定的措施。 另外生物电信号的整个频带中要求放大器的放大倍数稳定、均匀，在信号幅度范围内具有良好的线性。对于生物电放大器来讲，电压放大倍数一般都较高。放大倍数越高，保持稳定就越困难。为了使输出波形不失真，必须采取一定的电路技术，如负反馈放大技术。 生物体的阻抗很高，这意味着生物信号源不仅输出电压幅度低，而且提供电流的能力也很差，因此要求生物电放大器的前级必须具有很高的输入阻抗，以防止生物电信号的衰减，但高输入阻抗易引入外界干扰，特别是市电50Hz的干扰，为了提高放大器输入信噪比，常常加入50Hz陷波器。 生物电信号的信噪比较低，这是由于生物体内各种无规律的电活动在生物电信号中形成噪声，有些生物电信号被其他更强的电活动所淹没，如希氏束电图H波，只有1～10μV，比心电信号弱得多，再有胎儿心电信号的幅度约为5μV，比母体心电信号弱很多，使噪声电压超出生物电信号电压。当无用信号掩盖了有用信号时，提取这些电信号就需要借助于微弱信号检测技术。 总之，为适应生物医学信号频率较低且频带较宽、阻抗较高且幅度较低和信噪比较小的特点，必须选用低截止频率、高输入阻抗和放大倍数稳定的放大器。 二. 生物医学信号的频谱 实际的信号波形是很复杂的，大多不是正弦波，但借助频谱分析的方法，这种非正弦式周期波形可以被分解为数目足够多的，幅度不同、频率不同、初位相不同的正弦波。 周期性波形的频谱 非正弦式周期波形包含多种频率的正弦波成分。用数学表达为： 式中当n=1时，fn为f1，是非正弦式周期波的重复频率，称为基频。此频率的正弦波称为基波，其它正弦波的频率fn都是基频的整数倍，称为n倍频，相应的正弦波为n次谐波。 以频率为横轴，振幅为纵轴，在横轴上找到所有振幅不为零的正弦波的频率并引出垂线，其长度表示相应的振幅an，这种图称为振幅频谱，也常简称为频谱(spectrum)。而an2组成功率频谱，简称为功率谱。各种频率成分的初位相声。组成的位相谱，称为位相频谱。 2. 脉冲波形的频谱 在电子学中把在时间上短促的波形称为脉冲(impulse)。单个孤立的波形可以用一系列正弦波的叠加来组成，频率可取连续值，且具有连续频谱。连续频谱的波形叠加用积分式表达为： 式中Af和Φf分别为振幅和位相频谱。 由这两个脉冲的频谱图可见：脉冲愈宽，愈平滑，则频谱范围愈窄；相反，波形愈陡峭所含谐波愈多，频谱范围愈宽，特别是突然变化的脉冲波形更是如此。 如人体动脉压力波形比较平滑，根据频谱分析大约含有10个谐波，而心电波形，因它含有比较陡的R波，故大约含有30~60个