生物医学常用放大器课件.pptx

1、1第一节第一节 生物电信号的特点生物电信号的特点第二节第二节 负反馈放大器负反馈放大器第三节第三节 直流放大器直流放大器2一、一、生物电信号的基本特性生物电信号的基本特性1.1.生物信号的定义：携带生物信息的信号。生物信号的定义：携带生物信息的信号。 生物电信号：如心电、脑电、肌电等生物电信号：如心电、脑电、肌电等非生物电信号：如体温、血压、呼吸等非生物电信号：如体温、血压、呼吸等分类分类：注意：非生物电信号的采集需要合适传感器将注意：非生物电信号的采集需要合适传感器将其转换成电信号。其转换成电信号。 3（1 1）频率特性：）频率特性：生物电信号的频带主要在低频和超生物电信号的频带主要在低频和

2、超低频范围内。如低频范围内。如脑电信号的频带集中在脑电信号的频带集中在0.5Hz0.5Hz至至100Hz100Hz范围；心电信号的频带在范围；心电信号的频带在0.05Hz0.05Hz至至100Hz100Hz；肌电信号的频带为肌电信号的频带为10Hz10Hz至至2KHz2KHz。（2 2）幅值特性：幅值特性：生物电信号的幅度较小，只有毫伏生物电信号的幅度较小，只有毫伏级甚至微伏级。如脑电信号在几微伏到几百微伏级甚至微伏级。如脑电信号在几微伏到几百微伏变化，肌电信号在几微伏到几千微伏变化。变化，肌电信号在几微伏到几千微伏变化。2.生物电信号的特性生物电信号的特性4二、生物医学放大器的基本要求二、生

3、物医学放大器的基本要求基本要求基本要求：由于生物医学信号频率较低且频带较：由于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，宽、阻抗较高且幅度较低和信噪比较小的特点，选用放大器有如下要求：选用放大器有如下要求： 1.高放大倍数高放大倍数 4.低噪声低噪声 2.高输入阻抗高输入阻抗 5.低漂移低漂移 3.高共模抑制比高共模抑制比 6.合适的频带合适的频带5一、从一个例子说起一、从一个例子说起输入量：输入量：ui、ube、ib反馈反馈将电子系统输出回路的电量（电压或电流），以一定将电子系统输出回路的电量（电压或电流），以一定的方式送回到输入回路的过程。的方式送回到输入回路的

4、过程。3.2 反馈的基本概念反馈的基本概念输出量：输出量：uo、uce、ic正向传输正向传输信号从输入端到输出端的传输信号从输入端到输出端的传输TUBEICICUEIB+CTRb1CCRb1b2RVL+uoR-u+-ib2CcReCeIC稳定工作点电路：稳定工作点电路：UB一一定定6二二. 几个几个基本概念基本概念1. 开环与闭环开环与闭环电路中只有正向传输，没有反向电路中只有正向传输，没有反向传输，称为传输，称为开环状态。开环状态。正向传输正向传输信号从输入端到信号从输入端到输出端的传输输出端的传输反向传输反向传输信号从输信号从输出端到输入端的传输出端到输入端的传输既有正向传输，又有反馈既有

5、正向传输，又有反馈 称为称为闭环状态闭环状态。uu+f1oi+RRuuo+i信号的正向传输信号的正向传输信号的正向传输信号的正向传输反馈传输反馈传输(通路通路)（反馈网络）（反馈网络）7直流反馈直流反馈若电路将直流量反馈到输入回路，则若电路将直流量反馈到输入回路，则称直流反馈。称直流反馈。2.直流反馈与交流反馈直流反馈与交流反馈 该电路引入直流反馈的目的，是为了稳定静态工该电路引入直流反馈的目的，是为了稳定静态工作点作点Q。交流反馈交流反馈若电路将若电路将交流量反馈到输入回路，交流量反馈到输入回路，则称交流反馈。则称交流反馈。（如去掉电容（如去掉电容Ce）交流反馈，影响电路的交流反馈，影响电路

6、的交流工作性能。交流工作性能。直流反馈直流反馈交流反馈交流反馈+CTRb1CCRb1b2RVL+uoR-u+-ib2CcReCeICic8 解：根据反馈到输入端的信号是交流还是直流还是同时解：根据反馈到输入端的信号是交流还是直流还是同时存在，来进行判别。存在，来进行判别。例：判断下图中有哪些反馈回路，是交流反馈还是直流反馈。例：判断下图中有哪些反馈回路，是交流反馈还是直流反馈。uu+1A+RfRoiC22R1C交、直流反馈交、直流反馈交流反馈交流反馈 注意电容的注意电容的“隔直通交隔直通交”作用！作用！9例：基本放大器，无反馈，净输例：基本放大器，无反馈，净输入量入量ube=ui，电压放大倍数

7、为：，电压放大倍数为：3.负反馈与正反馈负反馈与正反馈负反馈负反馈输入量不变时，引入反馈后使净输入量减小，输入量不变时，引入反馈后使净输入量减小，放大倍数减小。放大倍数减小。引入反馈后，净输入量引入反馈后，净输入量ube =ui- uf ，电压放大倍数为：电压放大倍数为：可见，净输入量减小，放大倍数减小，所以是负反馈。可见，净输入量减小，放大倍数减小，所以是负反馈。正反馈正反馈输入量不变时，引入反馈后使净输入量增加，输入量不变时，引入反馈后使净输入量增加，放大倍数增加。放大倍数增加。+u-TRuLcCCob1+.RCb2Cb1+ViR-beu+-ebeLu)(1RrRAbeLurRA+CTRb

8、1CCRb1b2RVL+uoR-u+-ib2CcReic+u-fbeu+-10本级反馈本级反馈反馈只存在于某一级放大器中反馈只存在于某一级放大器中 级间反馈级间反馈反馈存在于两级以上的放大器中反馈存在于两级以上的放大器中例例4.本级反馈与级间反馈本级反馈与级间反馈VVfL+VCC+TRbe+e2Rc2c1-O-uRfuRRCb1b1Rb2Cu+-2T1+iu-Re1级间反馈级间反馈本级反馈本级反馈本级反馈本级反馈113.3 3.3 负反馈放大器的四种类型负反馈放大器的四种类型负反馈类型有四种组态负反馈类型有四种组态: : 电压串联负反馈电压串联负反馈 电压并联负反馈电压并联负反馈 电流串联负反

9、馈电流串联负反馈 电流并联负反馈电流并联负反馈12一一. . 电压串联负反馈电压串联负反馈根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路为根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路为电压串联负反馈电压串联负反馈从输入端看，有：从输入端看，有：ud = ui -uf故为串联负反馈。故为串联负反馈。用用“瞬时极性法瞬时极性法”判断反馈极性：判断反馈极性： 假设某一瞬时，在放大电路的输入端假设某一瞬时，在放大电路的输入端加入一个正极性的输入信号，按信号传加入一个正极性的输入信号，按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性，直输方向依次判断相关点的瞬时极性，直至判断出反馈信号的瞬时极性。如果反至判断出反馈信号的瞬时极性。

10、如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小，则为馈信号的瞬时极性使净输入减小，则为负反馈；反之为正反馈。负反馈；反之为正反馈。反馈电压：反馈电压：fRRRuu11of因为反馈量与输出电压成比例，所以称电压反馈。因为反馈量与输出电压成比例，所以称电压反馈。VVV-fARi+duu-f-R+u1+uRo13分立电路电压串联负反馈分立电路电压串联负反馈RL uO uf ud(ube) uO 电压负反馈的特性电压负反馈的特性稳定输出电压稳定输出电压稳定过程：稳定过程：负载变化时，负载变化时，输出电压稳定输出电压稳定输出电阻输出电阻VVfL+VCC+TRbe+e2Rc2c1-O-uRfuRRCb1b1Rb2Cu

11、+-2T1+iu-Re1VVfL+VCC+TRbe+e2Rc2c1-O-uRfuRRCb1b1Rb2Cu+-2T1+iu-Re1ui一定一定14二二. .电压并联负反馈电压并联负反馈根据瞬时极性判断是根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路负反馈，所以该电路为为电压串联负反馈。电压串联负反馈。id = ii -if从输入端看有：从输入端看有：因为反馈量与输出电压成比例，所以是电压反馈。因为反馈量与输出电压成比例，所以是电压反馈。 反馈电流：反馈电流：ffRuRuuioof故为并联负反馈。故为并联负反馈。VCC_CIRCLEVCC_CIRCLE+A+LRRfifid1i1Ruoiu15分立电路电压并

12、联负反馈分立电路电压并联负反馈ffRuRuuiioof反馈量与输出电压成比例，反馈量与输出电压成比例，所以是电压反馈。所以是电压反馈。根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路为根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路为电压串联负反馈电压串联负反馈id = ii -if在输入端有在输入端有故为并联负反馈。故为并联负反馈。 因为反馈电流：因为反馈电流：+TLR-cui-b+iCC+sRi+VOuu-ssRRffi16三三. .电流并联负反馈电流并联负反馈根据瞬时极性判断是根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路负反馈，所以该电路为为电流串联负反馈。电流串联负反馈。又因为又因为在输入端有在输入端有:id = i

13、i -if 反馈电流：反馈电流：RRRiifof因为反馈量与输出电流成比例，所以是电流反馈。因为反馈量与输出电流成比例，所以是电流反馈。故为并联负反馈。故为并联负反馈。uu-1AiiR+i+oidifiofRRLR+-17分立电路组成的电流并联负反馈分立电路组成的电流并联负反馈引入电流负反馈的目的引入电流负反馈的目的稳定输出电流稳定输出电流稳定过程：稳定过程：负载变化时，负载变化时，输出电流稳定输出电流稳定输出电阻输出电阻RL io(ic2) if id （ib） io(ic2) +-Rc1c2RRfRe2RsLR1T2Tic2ifsius-u+O+-uiCC+Vibuu-1AiiR+i+oi

14、difiofRRLR+-18 四四. .电流串联负反馈电流串联负反馈 反馈电压：反馈电压：uf=ioRf根据瞬时极性判断是根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路负反馈，所以该电路为为电流串联负反馈电流串联负反馈ud = ui -uf又因为又因为在输入端有在输入端有因为反馈量与输出电流成比例，所以是电流反馈。因为反馈量与输出电流成比例，所以是电流反馈。故为串联负反馈。故为串联负反馈。u-uR+1f-o+LRR+iA+-du+-fuoi19分立电路组成的电流串联负反馈电路分立电路组成的电流串联负反馈电路io uf ud io 引入电流负反馈的目的引入电流负反馈的目的稳定输出电流稳定输出电流稳定过程：

15、稳定过程：负载变化时，负载变化时，输出电流稳定输出电流稳定输出电阻输出电阻RL u-uR+1f-o+LRR+iA+-du+-fuoi+CTRb1CCRb1b2RVL+uoR-u+-ib2CcReic+u-fbeu+-20 五五. .反馈类型及判别方法总结反馈类型及判别方法总结1.1.直流反馈与交流反馈直流反馈与交流反馈注意电容的注意电容的“隔直通交隔直通交”作用作用 例题例题1:试判断下图电路中有哪些反馈支路，各是直流反试判断下图电路中有哪些反馈支路，各是直流反馈还是交流反馈？馈还是交流反馈？+V+_-+1R5R6RccRO2u4uRi3R7R3CC1C2C4212.2.反馈极性：正反馈与负反

16、馈反馈极性：正反馈与负反馈判定方法判定方法“瞬时极性法瞬时极性法”例题例题2:试判断下列电路中反馈支路的反馈极性。试判断下列电路中反馈支路的反馈极性。对于串联反馈：对于串联反馈：输入量与反馈量作用在不同的两点上，若输入量与输入量与反馈量作用在不同的两点上，若输入量与反馈量的瞬时极性相同为负反馈，瞬时极性相反为正反馈。反馈量的瞬时极性相同为负反馈，瞬时极性相反为正反馈。对于并联反馈：对于并联反馈：输入量与反馈量作用在同一点上，若反馈元件两端输入量与反馈量作用在同一点上，若反馈元件两端瞬时极性相反为负反馈，瞬时极性相同为正反馈。瞬时极性相反为负反馈，瞬时极性相同为正反馈。动画演示动画演示+V+_-

17、+1R5R6RccRO2u4uRi3R7R3CC1C2C4uu+RofA+i1R22VVA+2A1uiOu1RR2R3R45RR6VV+A+uOiu1RR2CC+V3RU+VUcc2RR1Ouiu233. 取样方式取样方式电压反馈与电流反馈电压反馈与电流反馈 假设输出端交流短路（假设输出端交流短路（RL=0），即），即uo=0，若，若反馈信号消失了，则为电压反馈；若反馈信号仍反馈信号消失了，则为电压反馈；若反馈信号仍然存在，则为电流反馈。然存在，则为电流反馈。电压反馈：电压反馈：反馈信号的大小与输出电压成比反馈信号的大小与输出电压成比 例。例。判断方法判断方法输出短路法：输出短路法：电流反馈：

18、电流反馈：反馈信号的大小与输出电流成比反馈信号的大小与输出电流成比 例。例。24例题例题3:试判断下列电路中引入的反馈是电试判断下列电路中引入的反馈是电压反馈还是电流反馈。压反馈还是电流反馈。+CTRb1CCRb1b2RVL+uoR-u+-ib2CcReic+u-f+R1bCCTCRVRu+-Lo-+uieC2Su+-RSf-u+25VVA+2A1uiOu1RR2R3R45RR6+_+V-+cciuuO1RR23RR4R56Ru-uR+1f-o+LRR+iA+-du+-fuoi26 4.比较方式比较方式串联反馈和并联反馈串联反馈和并联反馈串联反馈：串联反馈：反馈信号与输入信号加在放大电路输反馈

19、信号与输入信号加在放大电路输入回路的两个电极。有：入回路的两个电极。有：ud = ui -uf 并联反馈：并联反馈：反馈信号与输入信号加在放大电路输反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的同一个电极。有：入回路的同一个电极。有：id = ii -if 此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系。此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系。此时反馈信号与输入信号是电流相加减的关系。此时反馈信号与输入信号是电流相加减的关系。27 对于三极管电路：对于三极管电路：T输入量反馈量输入量反馈量T 若反馈信号与输入信号同时加在三极管的基极或发射若反馈信号与输入信号同时加在三极管的基极或发射极，则为并联反馈。极

20、，则为并联反馈。 若反馈信号与输入信号一个加在基极一个加在发射极若反馈信号与输入信号一个加在基极一个加在发射极则为串联反馈。则为串联反馈。T输入量反馈量T输入量反馈量28 对于运放电路：对于运放电路： 若反馈信号与输入信号同时加在同相端或反相端为并若反馈信号与输入信号同时加在同相端或反相端为并联反馈。联反馈。 若反馈信号与输入信号一个加在同相端一个加在反相若反馈信号与输入信号一个加在同相端一个加在反相端则为串联反馈。端则为串联反馈。反馈量+u+uA输入量反馈量u+输入量u+A输入量+A+u反馈量u+uA+u输入量反馈量29例题例题4:试判断下列电路中引入的反馈是串联反馈试判断下列电路中引入的反

21、馈是串联反馈还是并联反馈。还是并联反馈。VV+A+uOiu1RR2CC+V3R+V-+_+ccuOui1RR23R4R30VVA+2A1uiOu1RR2R3R45RR6U+VUcc2RR1Ouiu31例题例题5:试判断下列电路中的反馈组态。试判断下列电路中的反馈组态。解解:电压串联负反馈。电压串联负反馈。_+VRCCVuTV+R2R2i1TEEIsf1uRRA+o12VVVfARi+uu-f-R+u1+Ro132解解:电压并联负反馈。电压并联负反馈。例题例题6:试判断下列电路中的反馈组态。试判断下列电路中的反馈组态。+_V1fI12R12TiR2+uRTRRsR34RCCVVEEuoT3VCC

22、_CIRCLEVCC_CIRCLEuiuRf+Ao1R33（1）串联反馈）串联反馈 5. 信号源对反馈效果的影响信号源对反馈效果的影响ud = ui -uf 所以所以us应为恒压源，即信号源内阻应为恒压源，即信号源内阻RS越小越好。越小越好。 要想反馈效果要想反馈效果明显，就要求明显，就要求uf变化能有效引起变化能有效引起ud的变化。的变化。uu-+uf-1R+uLd-R+o+AfR-u+S-i+uRs34（2）并联反馈）并联反馈id = ii -if 所以所以is应为恒应为恒流流源，即信号源内阻源，即信号源内阻RS越大越好。越大越好。 要想反馈效果明显，就要求要想反馈效果明显，就要求if变化

23、能有效引起变化能有效引起id的变化。的变化。uuAs-R+oRR+Lf+isiidifi35基本放大电路基本放大电路AdX oX 反馈网络反馈网络FfX 放大放大：doXXA 迭加：迭加：fidXXX 1.方框图：方框图：A称为开环称为开环放大倍数放大倍数iX + 反馈反馈：ofXXF AF称为闭环放大倍数称为闭环放大倍数AF=Xo / Xi输出信号输出信号输入信号输入信号反馈信号反馈信号净输入信号净输入信号F称为反馈系数称为反馈系数设设Xf与与Xi同相同相六六. 负反馈放大电路的方框图负反馈放大电路的方框图负反馈放大器负反馈放大器362. 负反馈放大器的一般关系负反馈放大器的一般关系闭环放大

24、倍数：闭环放大倍数：放大放大：doXXA 反馈反馈：ofXXF 迭加：迭加：fidXXX AF=Xo / Xi =Xo / (Xd+ Xf)= Xo / ( + XoF) =XoA11A+F=A1+AF373. 关于反馈深度的讨论关于反馈深度的讨论一般负反馈一般负反馈称为反馈深度称为反馈深度FA 1FAAA 1F时，时， 11 )1( FA， FAA 时，时， 11 )2( FA深度负反馈深度负反馈正反馈正反馈时，时， 11 )3( FA， FAA 自激振荡自激振荡时，时， 01 )4( FA， F A383.4 负反馈对放大电路性能的影响负反馈对放大电路性能的影响 提高增益的稳定性提高增益的

25、稳定性 减少非线性失真减少非线性失真 扩展频带扩展频带 改变输入电阻和输出电阻改变输入电阻和输出电阻 在放大器中引在放大器中引入负反馈入负反馈 降低了放大倍数降低了放大倍数 使放大器的性能得以改善：使放大器的性能得以改善：39一一. 提高放大倍数的稳定性提高放大倍数的稳定性闭环时闭环时FAAA 1F则则2F)1(1AFdAdA 只考虑幅值有只考虑幅值有AFAA 1FAdAAFAdA 11FF即闭环增益相对变化量比开环减小了即闭环增益相对变化量比开环减小了1+AF倍倍另一方面另一方面:在深度负反馈条件下在深度负反馈条件下FA1F 即闭环增益只取决于反馈网络。当反馈网络由稳定的即闭环增益只取决于反

26、馈网络。当反馈网络由稳定的线性元件组成时，闭环增益将有很高的稳定性。线性元件组成时，闭环增益将有很高的稳定性。402. 改善放大器的非线性失真改善放大器的非线性失真Auiufuiuoud加反馈前加反馈前加反馈后加反馈后AF+ 失真失真改善改善uouo413. 3. 扩展放大器的通频带扩展放大器的通频带 放大电路加入负反馈后，增益下降，但通频带却加宽了。放大电路加入负反馈后，增益下降，但通频带却加宽了。 无反馈时放大器的通频带：无反馈时放大器的通频带： fbw= f HfL f H 有反馈时放大器的通频带：有反馈时放大器的通频带： fbwf= f HffLf f Hf可以证明：可以证明：fbwf

27、 = (1+AF) fbw放大器的一个重要特性：放大器的一个重要特性：增益与通频带之积为常数。增益与通频带之积为常数。 即：即： Amf fbwf= Am fbw020lg|A|（dB）F（Hz） Am fL fH fLf fHf Amf4. 4. 负反馈对输入电阻的影响负反馈对输入电阻的影响 (1) (1) 串联负反馈使输入电阻增加串联负反馈使输入电阻增加 无无反馈时：反馈时： 有有反馈时：反馈时：idiii=iuiuR )(1iAFR iiif=iuRifd=iuu iod=iFuu idd=iAFuu id)1(=iAFu +RiuooR-Riu+-+duii+o-uLRAi+Ro+oL

28、iuiA+ouRu-dRiu+-RRfu-f+R1ifi(2)(2)并联负反馈使输入电阻减小并联负反馈使输入电阻减小 无无反馈时：反馈时： 有有反馈时：反馈时：diiii=iuiuR iiif=iuRfdi=iiu Fuiuodi= AFiiuddi= )1(=diAFiu AFR 1=i+ARu-Li+uoRiR-Rd+-+diuoifouiRffii+uoLiRu-uiuAo+Rid-R+-oi+Rdii445. 5. 负反馈对输出电阻的影响负反馈对输出电阻的影响 电压负反馈电压负反馈稳定输出电压（当负载变化时）稳定输出电压（当负载变化时）恒压源恒压源输出电阻小。输出电阻小。(1) (1)

29、 电压负反馈使输出电阻减小电压负反馈使输出电阻减小 电流负反馈电流负反馈稳定输出电流（当负载变化时）稳定输出电流（当负载变化时）恒流源恒流源输出电阻大。输出电阻大。(2) (2) 电流负反馈使输出电阻提高电流负反馈使输出电阻提高45为改善性能引入负反馈的一般原则为改善性能引入负反馈的一般原则 要稳定直流量要稳定直流量引直流负反馈引直流负反馈 要稳定交流量要稳定交流量引交流负反馈引交流负反馈 要稳定输出电压要稳定输出电压 引电压负反馈引电压负反馈 要稳定输出电流要稳定输出电流 引电流负反馈引电流负反馈 要增大输入电阻要增大输入电阻 引串联负反馈引串联负反馈 要减小输入电阻要减小输入电阻 引并联负反馈引并联负反馈46举例：举例：在下面的放大器中按要求引入适当的反馈。在下面的放大器中按要求引入适当的反馈。（1）希望加入信号后，）希望加入信号后，ic3的数值基本不受的数值基本不受R6改变的影响。改变的影响。VVVV1512T2TR3RC34+VRCCRT1RR76R-u+iuo+-f1R