医用仪器放大器.docVIP

第三章 医用仪器放大器 3.1 导 言 人体生理系统产生的电化学信号，其幅值通常是很小的，因而需要予以放大。图3.1给出了一个典型生理监护仪的简化方框图。 图中传感器用来检测病人皮肤表面阻挡层产生的电化学信号，并将其转化为电信号，继而这种电信号驱动放大电路。这样就增加了信号的有源元件，比如说放大电路设计中采用的晶体管或集成电路。在一般的生理监护仪中的放大器具有如下特点： 1.高输入阻抗，其值通常超过10MΩ 2.高开环增益，其值通常超过1000 3.适量的输出阻抗 4.低白噪声 5.低谐波失真 6.频宽取决于输入信号频率 7.高线性度 3.2 输入隔离器 在生理监护仪中，信号调节放大器电路是由前置隔离电路、电极选择开关、电压放大器及驱动显示器的功率放大器所组成的。 前置隔离电路用来提高监护系统的输入阻抗，以便把病人与仪器隔离开来。因为大多数监护仪是由电网供电，而供电电源可能漏电，给病人造成危险。因此，通过传感器电极作用到病人身上的杂散交流电必须减少到最低限度，为此，应使该系统的输入阻抗提高到约50MΩ，而隔离放大器就能达到上述的要求。图3.2表示一个典型的隔离放大电路。 在这个电路中，用两只相同的晶体管Q1和Q2串联而成射极跟随器电路。显然，放大器的输入阻抗可由共发射极电流增益β乘以输出阻抗而求得。由于晶体管型号相同，则输入阻抗的表达式可写成 Zin=β2Zo 其中基极电阻R1用来维持Q1 的直流偏置，并不影响输出阻抗Zo；而射极电阻Ｒ２对输出电阻却有影响。在这种开关电路中，输出电阻等效于Ｒ２和下一级输入阻抗的并联值。开关电路额定输出电阻相当于１０ＫΩ,额定R2值相当于1KΩ或更低。当R2为确定的数值时，由比值10：1就可以确定达林顿管对的输出阻抗。在达林顿晶体管对中典型的β值约为98至99，这将产生约10MΩ的输入阻抗。这是一个极高的阻抗，在第二个晶体管的发射极与第一个晶体管的集电极之间可以接一个反馈网络，这个反馈网络称为自举电路(如图3.3所示)。 由自举分压网络R1和R2 所产生的反馈电压与第一晶体管的集电极相连，输入电路信号电平升高，就使通过集电极的信号幅值增加，从而使晶体管的偏置工作点发生改变，结果便提高了输入阻抗。反馈强度与串联R1、R2和R3之值成正比例。用这种方法，输入阻抗通常可以提高到约50MΩ. 值得注意的是，图3.3中电阻R4和图3.2中电阻R3是用来限制流经Q2的电流的。尽管这些电路的电压增益近似为0.9，但电流和功率增益却是十分高的。倘若第二只晶体管的电流不受限制，那么它便会烧毁。 生理监护仪通常使用3到5个电极传感器。由这些传感器检测的波形，实际上是任何两个电极之间的电化学电压差，而在每个电极与开关电路之间要求有一个隔离放大器。 信号放大器可分为直流（DC）和交流（AC）放大电路两种。 3.3 直流（DC）放大器 DC放大器可在频率为零直至声频范围（20至20000HZ）内工作而无明显的增益损失。为了说明DC放大器，我们选用三只串联的金属氧化物半导体场效应管组成电路.，如图3.4所示。所用的MOSFET管具有3μA标称漏极电流，漏极对地的电压为10V。输入信号施加于第一只MOSFET的栅极，经放大后，吧第一管漏极信号传给下一管的栅极。末极的漏极采用两只100KΩ电阻构成分压器，输出电压取自分压器中心轴头；由于漏极偏置在+10V，为使静态的输出电压为零，则下端的电阻需接到-10V电源上。当一个交流信号源作用于DC 放大器的输入端时，便可得到一个放大了的输出电压。 直接耦合放大器的 主要问题是热飘移，因此放大器的第一级必须采取补偿措施，以便在温度改变时不致引起偏置电平的变化。如果偏置电平的变动被误认为是放大器的正常输入信号，则它将被第一级及其以后的各级放大，这样，即使对于很小的热扰动，累加效应也将引起大的输出变动，而温度补偿则可校正这种效应。 放大器直流漂移可通过输出电压的变化来说明，这与用摄氏度表示温度变化的作用是一样的，所用的温度补偿在大小上必须恰好与这个漂移值相同，而方向相反。 尽管我们讨论的是MOSFET DC放大器，但还有许多别的电路也属于这一类，不论他们采用何种形式都具有相似的性能。由于级间没有耦合元件，DC放大器的偏置易相互影响，其电路的稳定性由反馈电路实现。 高增益信号放大器可以由三级RC耦合放大器串联而成，如图3.5所示，在图中，第一级输入信号加在晶体管基级与地线之间，第一级输出信号取自晶体管集电极与地之间，该输出信号电压通过耦合电容Cc2耦合到下一级。一般共发射级结构在每一级中都有一单双级型晶体管，并采用通用偏置电路。 由于每一级所用的NPN通用晶体管实质上上是一种开关型器件，因此