第二章信號測量的基本條件-6

1、生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)第二章第二章 信號測量的基本條件信號測量的基本條件 Biomedical Electronics第一節(jié)第一節(jié) 人體測量的電磁干擾人體測量的電磁干擾第二節(jié)第二節(jié) 測試系統(tǒng)的噪聲測試系統(tǒng)的噪聲 第三節(jié)第三節(jié) 低噪聲放大器設(shè)計(jì)低噪聲放大器設(shè)計(jì) 1生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) 為了使放大器具有良好的低噪聲特性，除了嚴(yán)格選擇組為了使放大器具有良好的低噪聲特性，除了嚴(yán)格選擇組成放大器的各有源、無源器件，還需按照成放大器的各有源、無源器件，還需按照低噪聲設(shè)計(jì)方法低噪聲設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，才能充分發(fā)揮優(yōu)良低噪聲器件的應(yīng)有作用進(jìn)行設(shè)計(jì)，才能充分發(fā)揮優(yōu)良低噪聲器件的應(yīng)有作用，特，特別是前

2、置放大器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。換言之，如果選用了昂貴的別是前置放大器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。換言之，如果選用了昂貴的低噪聲器件，而設(shè)計(jì)不盡合理，則仍然不能獲得低噪聲性低噪聲器件，而設(shè)計(jì)不盡合理，則仍然不能獲得低噪聲性能的放大器。能的放大器。 與普通放大器設(shè)計(jì)相比，低噪聲放大器的與普通放大器設(shè)計(jì)相比，低噪聲放大器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是以設(shè)計(jì)特點(diǎn)是以低噪聲為關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)電路低噪聲為關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)電路，放大器的，放大器的增益、頻率響應(yīng)等非噪聲質(zhì)量的招標(biāo)，則可以在滿足噪聲增益、頻率響應(yīng)等非噪聲質(zhì)量的招標(biāo)，則可以在滿足噪聲要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。第三節(jié)第三節(jié) 低噪聲放大器設(shè)計(jì)低噪聲放大

3、器設(shè)計(jì)2生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)1 1、根據(jù)噪聲要求、源阻抗特性、根據(jù)噪聲要求、源阻抗特性確定輸入級電路確定輸入級電路( (包包括輸入耦合網(wǎng)絡(luò)括輸入耦合網(wǎng)絡(luò)) )。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括選擇電路結(jié)構(gòu)形。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括選擇電路結(jié)構(gòu)形式，選用器件、確定低噪聲工作點(diǎn)和進(jìn)行噪聲匹配式，選用器件、確定低噪聲工作點(diǎn)和進(jìn)行噪聲匹配等工作。等工作。2 2、根據(jù)放大器要求的總增益、頻率響應(yīng)、動(dòng)態(tài)范、根據(jù)放大器要求的總增益、頻率響應(yīng)、動(dòng)態(tài)范圍、圍、 穩(wěn)定性等指標(biāo)穩(wěn)定性等指標(biāo)設(shè)計(jì)后繼電路設(shè)計(jì)后繼電路，決定放大級數(shù)，決定放大級數(shù)及電路結(jié)構(gòu)等，這些設(shè)計(jì)與一般多級放大器的設(shè)計(jì)及電路結(jié)構(gòu)等，這些設(shè)計(jì)與一般多級放大器的設(shè)計(jì)原則相同，但應(yīng)注意使后繼

4、電路原則相同，但應(yīng)注意使后繼電路不破壞總的噪聲性不破壞總的噪聲性能能。低噪聲放大器設(shè)計(jì)的一般程序低噪聲放大器設(shè)計(jì)的一般程序3生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) 放大器噪聲性能的優(yōu)劣不能單用它輸出的噪聲功率來衡量，放大器噪聲性能的優(yōu)劣不能單用它輸出的噪聲功率來衡量，噪聲的有害影響是相對于信號的。為了得到最大的輸出信噪噪聲的有害影響是相對于信號的。為了得到最大的輸出信噪比比( (SoSoNoNo) )，由下式可知，由下式可知，2.3.1 2.3.1 噪聲性能指標(biāo)噪聲性能指標(biāo) 低噪聲設(shè)計(jì)的目的是指把總輸入噪聲減小到最低程度低噪聲設(shè)計(jì)的目的是指把總輸入噪聲減小到最低程度。實(shí)。實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)噪聲在所要求的噪聲指標(biāo)范圍即可

5、。際應(yīng)用中，系統(tǒng)噪聲在所要求的噪聲指標(biāo)范圍即可。 為了統(tǒng)一，用為了統(tǒng)一，用輸入端對地短路時(shí)放大器的固有噪聲輸入端對地短路時(shí)放大器的固有噪聲U Uin in作為作為放大器的噪聲性能指標(biāo)放大器的噪聲性能指標(biāo)。22/insooUUNS4生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)各種生理信號測量用放大器在相應(yīng)帶寬下的噪聲指標(biāo)各種生理信號測量用放大器在相應(yīng)帶寬下的噪聲指標(biāo)(U(Uin in值值) ) 體表心電圖體表心電圖 10V (0 10V (0 250Hz) 250Hz) 體表希氏束電圖體表希氏束電圖 0.5 V (80 0.5 V (80 3000Hz) 3000Hz) 頭皮電極腦電圖頭皮電極腦電圖 1 V (0 1 V (

6、0 100Hz) 100Hz) 針電極肌電圖針電極肌電圖 1 V (2 1 V (2 l0000Hz) l0000Hz) 腦誘發(fā)電位腦誘發(fā)電位 0.7 V (0 0.7 V (0 10kHz) 10kHz) 眼電生理信號眼電生理信號 0.5 V (0 0.5 V (0 1kHz) 1kHz)在各種描述放大器的噪聲參數(shù)中，以在各種描述放大器的噪聲參數(shù)中，以U Uin in作為設(shè)計(jì)依據(jù)是合理作為設(shè)計(jì)依據(jù)是合理的，在低噪聲設(shè)計(jì)中應(yīng)認(rèn)真遵循以下的幾個(gè)環(huán)節(jié)。的，在低噪聲設(shè)計(jì)中應(yīng)認(rèn)真遵循以下的幾個(gè)環(huán)節(jié)。 5生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)調(diào)整調(diào)整RsRs或使或使RsoRso在已知的在已知的RsRs附近，稱之為附近，稱之為噪

7、聲匹配噪聲匹配。通過各種傳感器提取生物信號時(shí)，傳感器與前置放大器直通過各種傳感器提取生物信號時(shí)，傳感器與前置放大器直接連接，不能加入電阻來滿足匹配條件（會(huì)增加輸入噪接連接，不能加入電阻來滿足匹配條件（會(huì)增加輸入噪聲）。由于傳感器的阻抗不同，為了實(shí)現(xiàn)噪聲匹配，應(yīng)選聲）。由于傳感器的阻抗不同，為了實(shí)現(xiàn)噪聲匹配，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)挠性雌骷鳛榍爸梅糯笃鞯妮斎爰?。擇適當(dāng)?shù)挠性雌骷鳛榍爸梅糯笃鞯妮斎爰墶?.3.2 2.3.2 有源器件選擇原則有源器件選擇原則由總等效輸入噪聲對信號源內(nèi)阻由總等效輸入噪聲對信號源內(nèi)阻的關(guān)系可知，源電阻等于最佳源的關(guān)系可知，源電阻等于最佳源電阻電阻RsoRso時(shí)，噪聲系數(shù)最小，時(shí)

8、，噪聲系數(shù)最小， Rs Rs = Rso = Rso 是理想的低噪聲設(shè)計(jì)方案是理想的低噪聲設(shè)計(jì)方案。6生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)1 1、源電阻很小時(shí)，輸入級須通過、源電阻很小時(shí)，輸入級須通過變壓器耦合變壓器耦合達(dá)到低源電阻的達(dá)到低源電阻的噪聲匹配；噪聲匹配；2 2、在幾十歐、在幾十歐-1-1兆歐范圍，應(yīng)選擇兆歐范圍，應(yīng)選擇晶體管晶體管作為輸入級，作為輸入級，PNPPNP管管的基區(qū)電阻較小，適用于源電阻小的場合；的基區(qū)電阻較小，適用于源電阻小的場合；NPNNPN管在源電阻管在源電阻稍大時(shí)更為合適；稍大時(shí)更為合適；下圖給出一個(gè)選擇輸入級有源器件的一般指南下圖給出一個(gè)選擇輸入級有源器件的一般指南7生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)

9、3 3、源電阻更高時(shí)，、源電阻更高時(shí)，結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管是理想的輸入級器件。絕緣是理想的輸入級器件。絕緣柵場效應(yīng)管柵場效應(yīng)管InIn值極小，高內(nèi)阻源時(shí)有突出的優(yōu)點(diǎn)，但它的值極小，高內(nèi)阻源時(shí)有突出的優(yōu)點(diǎn)，但它的1 1f f 噪聲比結(jié)型場效應(yīng)管至少高一個(gè)數(shù)量級，不適于作為低噪聲噪聲比結(jié)型場效應(yīng)管至少高一個(gè)數(shù)量級，不適于作為低噪聲要求的前置級器件；要求的前置級器件；4 4、集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器的噪聲雖然相對較高，但體積小，價(jià)格便的噪聲雖然相對較高，但體積小，價(jià)格便宜，電路設(shè)計(jì)簡單，容易實(shí)現(xiàn)高共模抑制比，如果嚴(yán)格挑選宜，電路設(shè)計(jì)簡單，容易實(shí)現(xiàn)高共模抑制比，如果嚴(yán)格挑選UnUn、InIn參

10、數(shù)，也是較理想的輸入級器件。參數(shù)，也是較理想的輸入級器件。 8生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) 有源器件選好后，調(diào)整工作點(diǎn)參數(shù)使有源器件選好后，調(diào)整工作點(diǎn)參數(shù)使 U Un n /I/In n= R= Rso =so =R Rs s ，實(shí)實(shí)現(xiàn)噪聲匹配?，F(xiàn)噪聲匹配。 在噪聲匹配的情況下，調(diào)整參數(shù)使在噪聲匹配的情況下，調(diào)整參數(shù)使U Un n 、I In n參數(shù)同幅減少，參數(shù)同幅減少，可以使最小噪聲系數(shù)進(jìn)一步下降，低噪聲放大器設(shè)計(jì)的一個(gè)可以使最小噪聲系數(shù)進(jìn)一步下降，低噪聲放大器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要文物問題就是如何在保證噪聲匹配的條件下，取得盡量重要文物問題就是如何在保證噪聲匹配的條件下，取得盡量小的噪聲系數(shù)。小的噪聲系數(shù)。

11、最佳工作電流、最小噪聲系數(shù)9生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)下圖為一個(gè)多級放大電路的一般框圖。每一級的噪聲用下圖為一個(gè)多級放大電路的一般框圖。每一級的噪聲用U Uni ni、I Ini ni 表示，增益用表示，增益用A Ai i 表示，放大系統(tǒng)的反饋傳遞函數(shù)用表示，放大系統(tǒng)的反饋傳遞函數(shù)用 表示。表示。 2.3.3 2.3.3 放大電路的低噪聲設(shè)計(jì)放大電路的低噪聲設(shè)計(jì) 多級放大系統(tǒng)中第一級的噪聲是主要的，但后面各級也都噪聲。在進(jìn)行多級放大系統(tǒng)中第一級的噪聲是主要的，但后面各級也都噪聲。在進(jìn)行多級放大系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須嚴(yán)格考慮各級的噪聲，包括偏置元件的噪聲。多級放大系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須嚴(yán)格考慮各級的噪聲，包括偏置元件的

12、噪聲。 負(fù)反饋并不改變各級的等效輸入噪聲，但負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻要額外貢獻(xiàn)負(fù)反饋并不改變各級的等效輸入噪聲，但負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻要額外貢獻(xiàn)熱噪聲和熱噪聲和 1 1f f 噪聲。噪聲。10生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)第一級的等效輸入噪聲為第一級的等效輸入噪聲為 ，其他各級等效，其他各級等效噪聲用同樣的方法確定，各級的有效源電阻等于前級的輸噪聲用同樣的方法確定，各級的有效源電阻等于前級的輸出電阻出電阻R Roi oi?？紤]負(fù)反饋，算出輸出端總噪聲?？紤]負(fù)反饋，算出輸出端總噪聲U Unono，設(shè)放大，設(shè)放大系統(tǒng)正向總增益為系統(tǒng)正向總增益為A A，則總等效輸入噪聲，則總等效輸入噪聲 221212snnnsRIUU 222

13、1202232321201222222121221AARIUARIURIUUUAAUUnnnnsnnnsninino11生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)兩級放大的低噪聲設(shè)計(jì)原則兩級放大的低噪聲設(shè)計(jì)原則：使第二級的等效輸：使第二級的等效輸入噪聲遠(yuǎn)小于第一級的噪聲。入噪聲遠(yuǎn)小于第一級的噪聲。 由多級放大電路的噪聲等效電路，用網(wǎng)絡(luò)理論由多級放大電路的噪聲等效電路，用網(wǎng)絡(luò)理論逐步推導(dǎo)，借助于計(jì)算機(jī)進(jìn)行噪聲分析計(jì)算，是逐步推導(dǎo)，借助于計(jì)算機(jī)進(jìn)行噪聲分析計(jì)算，是放大器噪聲分析的一般方法。對于復(fù)雜的放大系放大器噪聲分析的一般方法。對于復(fù)雜的放大系統(tǒng)，這種分析方法無疑是十分復(fù)雜的。統(tǒng)，這種分析方法無疑是十分復(fù)雜的。 實(shí)際上，常

14、可以用實(shí)驗(yàn)的手段實(shí)現(xiàn)對放大系統(tǒng)實(shí)際上，?？梢杂脤?shí)驗(yàn)的手段實(shí)現(xiàn)對放大系統(tǒng)噪聲性能的了解。例如為了估算系統(tǒng)內(nèi)某一點(diǎn)的噪聲性能的了解。例如為了估算系統(tǒng)內(nèi)某一點(diǎn)的噪聲源的作用，可以在這一點(diǎn)插入一確定的噪聲噪聲源的作用，可以在這一點(diǎn)插入一確定的噪聲電壓（或電流），加重其噪聲影響，計(jì)算出發(fā)生電壓（或電流），加重其噪聲影響，計(jì)算出發(fā)生器單獨(dú)作用時(shí)的輸出，從而估算出該點(diǎn)的噪聲源器單獨(dú)作用時(shí)的輸出，從而估算出該點(diǎn)的噪聲源的作用。的作用。12生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)下圖為場效應(yīng)管輸入的兩級低噪聲放大電路及其噪聲等效電路下圖為場效應(yīng)管輸入的兩級低噪聲放大電路及其噪聲等效電路 注意偏置電路的設(shè)計(jì)，偏置電阻位于放大器特別靈敏的部

15、位，其熱噪聲和注意偏置電路的設(shè)計(jì)，偏置電阻位于放大器特別靈敏的部位，其熱噪聲和1 1f f 噪聲應(yīng)加以控制。輸入級的偏置電阻包括噪聲應(yīng)加以控制。輸入級的偏置電阻包括R RA1A1、R RB1B1及及R RS1S1，如果沒有旁，如果沒有旁路電容，路電容， R RS1S1成為一個(gè)顯著的噪聲源。成為一個(gè)顯著的噪聲源。R RG G連接于連接于R RA1A1、R RB1B1的交點(diǎn)與柵極之間，的交點(diǎn)與柵極之間，C C2 2為旁路電容，提供交流通路，使為旁路電容，提供交流通路，使R RA1A1、R RB1B1噪聲電壓不能到達(dá)放大器輸入噪聲電壓不能到達(dá)放大器輸入端。貢獻(xiàn)噪聲的偏置電阻只有端。貢獻(xiàn)噪聲的偏置電阻

16、只有R RG G，但，但R RG G上的直流電壓非常小，使它的上的直流電壓非常小，使它的1 1f f噪聲明顯減小。噪聲明顯減小。 R RG G與源并聯(lián)，其熱噪聲亦被衰減與源并聯(lián)，其熱噪聲亦被衰減R RS S / / R RB1 B1 倍。偏置電路的倍。偏置電路的這種設(shè)計(jì)，稱為這種設(shè)計(jì)，稱為無噪聲偏置無噪聲偏置，通用于所有低噪聲放大器設(shè)計(jì)中。，通用于所有低噪聲放大器設(shè)計(jì)中。 13生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)當(dāng)不得不用當(dāng)不得不用C C1 1實(shí)現(xiàn)頻帶的下限時(shí)，對實(shí)現(xiàn)頻帶的下限時(shí)，對C C1 1的噪聲限制是非常嚴(yán)格的噪聲限制是非常嚴(yán)格的，其阻抗的，其阻抗X XClCl應(yīng)遠(yuǎn)小于應(yīng)遠(yuǎn)小于RsRs。在電路中。在電路中C

17、C1 1與與R RS S相串聯(lián)，因此噪相串聯(lián)，因此噪聲頂聲頂I In nR Rs s變?yōu)樽優(yōu)镮 In nRs -jXRs -jXClCl ，為降低噪聲，必須使，為降低噪聲，必須使I In nX XClCl I In nRs Rs 如如果依靠果依靠C C1 1，實(shí)現(xiàn)低頻截止頻率，實(shí)現(xiàn)低頻截止頻率， X XClCl必然很大。所以不應(yīng)該把必然很大。所以不應(yīng)該把頻率下限的限制元件設(shè)置在輸入級前端，而應(yīng)設(shè)置在輸入級的頻率下限的限制元件設(shè)置在輸入級前端，而應(yīng)設(shè)置在輸入級的輸出端。這樣，輸入級的輸出端。這樣，輸入級的1 1f f 噪聲也可通過頻帶的限制而被抑噪聲也可通過頻帶的限制而被抑制。制。14生物醫(yī)學(xué)電

18、子學(xué)2122)(ssnfntCRUUC Cs s取值的原則取值的原則是提供充分低阻的交流通路，以便有效地旁路是提供充分低阻的交流通路，以便有效地旁路掉掉R Rs1s1的噪聲。的噪聲。C C1 1R RB1B1網(wǎng)絡(luò)實(shí)際與信號源相串聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)實(shí)際與信號源相串聯(lián)， R Rs1s1在在C Cs s兩兩端的噪聲電壓端的噪聲電壓( (熱噪聲熱噪聲U U2 2st st 、U U2 2nfnf) )近似為近似為所以所以C Cs s的大小應(yīng)滿足的大小應(yīng)滿足 21222)(ssnfntniCRUUU15生物醫(yī)學(xué)電子學(xué))/(,/111120111sssADLsmLmjXRZRrRRZgRgA其中在在T T2 2的基

19、的基射電阻相比于射電阻相比于R RD1D1大時(shí)，對信號源大時(shí)，對信號源U Us s的總增益的總增益 由等效電路得到第一級提供的電壓增益由等效電路得到第一級提供的電壓增益22121eCDmrRRgAAA16生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)17生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)生物信號測量系統(tǒng)廣泛應(yīng)用差動(dòng)放大電路結(jié)構(gòu)，其噪聲等生物信號測量系統(tǒng)廣泛應(yīng)用差動(dòng)放大電路結(jié)構(gòu)，其噪聲等效電路的一般形式如圖：表示接地源和浮地源兩種情況效電路的一般形式如圖：表示接地源和浮地源兩種情況兩臂串聯(lián)的噪聲互不相關(guān)，等效輸入噪聲為兩臂等效噪聲之和兩臂串聯(lián)的噪聲互不相關(guān)，等效輸入噪聲為兩臂等效噪聲之和18生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)如果放大器兩臂具有相同的噪聲機(jī)理，則上式可

20、簡化為如果放大器兩臂具有相同的噪聲機(jī)理，則上式可簡化為 利用利用U Un n-I -In n模型可以對生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)中常用的前置放大器模型可以對生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)中常用的前置放大器進(jìn)行低噪聲設(shè)計(jì)。進(jìn)行低噪聲設(shè)計(jì)。下圖為同相輸入時(shí)的輸入短路噪聲等效電路。下圖為同相輸入時(shí)的輸入短路噪聲等效電路。2212122212snnnsniRIUUU根據(jù)疊加定理，等效輸入噪聲根據(jù)疊加定理，等效輸入噪聲U Uni ni為為19生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)下圖為反相輸入時(shí)的輸入端短路噪聲等效電路。下圖為反相輸入時(shí)的輸入端短路噪聲等效電路。等效輸入噪聲等效輸入噪聲U Uni ni為為20生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)下圖為生物放大器前置級經(jīng)常采

21、用的三運(yùn)放差動(dòng)放大電路，下圖為生物放大器前置級經(jīng)常采用的三運(yùn)放差動(dòng)放大電路，A1A1、A2A2、A3A3組成高差動(dòng)輸入阻抗的同相并聯(lián)輸入級，組成高差動(dòng)輸入阻抗的同相并聯(lián)輸入級，A3A3為差動(dòng)放大級。為差動(dòng)放大級。21生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)在上述同相放大、反相放大等效噪聲電路的基礎(chǔ)上，得在上述同相放大、反相放大等效噪聲電路的基礎(chǔ)上，得到三運(yùn)放前置放大電路的噪聲等效電路，如圖到三運(yùn)放前置放大電路的噪聲等效電路，如圖(b)(b)所示。所示。22生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) 除有源器件，各外回路電阻均貢獻(xiàn)噪聲。電阻的噪聲貢獻(xiàn)除有源器件，各外回路電阻均貢獻(xiàn)噪聲。電阻的噪聲貢獻(xiàn)與其在電路中的位置有關(guān)。與與其在電路中的位置有關(guān)。與A Al l、A A2 2輸入端相連接的輸入端相連接的R RF F 、R RWW的噪聲相對影響最大。在低噪聲設(shè)計(jì)中，除了認(rèn)真選擇低噪聲的噪聲相對影響最大。在低噪聲設(shè)計(jì)中，除了認(rèn)真選擇低噪聲類的電阻外，在有源器件負(fù)載允許的條件下，盡量選擇低阻值類的電阻外，在有源器件負(fù)載允許的條件下，盡量選擇低阻值的外回路電阻的外回路電阻( (尤其是輸入級尤