1、第三生物医学常用放大器 携带生物信息的信号称为生物信号。其中生物电信号是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、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呼吸、体温等。医学中还常通过在人体上施加一些物理
2、因素的方法来获得生物信号，如各种阻抗图，它以数十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。被
3、统称为生物医学信号。生物电信号的频带主要在低频和超低生物电信号的频带主要在低频和超低频范围内，频范围内，各种生物电中包含了频率很低的成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。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，为了使生物电信相当于数微伏无规则电压，为了使生物电信号不被噪
4、声淹没，放大器的前级必须选用高号不被噪声淹没，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。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。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，必须采取一定为了使输出波形不失真，必须采取一定
5、的电路技术，如负反馈放大技术。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，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，特别是市电抗易引入外界干扰，特别是市电50Hz的的干扰，为了提高放大器输入信噪比，常干扰，为了提高放大器输入信噪比，常常加入常加入50Hz陷波器。陷波器。生物电信号的信噪比较低，这是由于生物
6、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，如希氏束电图电活动所淹没，如希氏束电图H波，只有波，只有110V，比心电信号弱得多，再有胎儿心，比心电信号弱得多，再有胎儿心电信号的幅度约为电信号的幅度约为5V，比母体心电信号弱，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。号就需要借助于微弱信号检测
7、技术。当由两管集电极输出时，即取差输出，理想情况下，两路的共模信号电压相同，经过取差，输出电压为零，即没有输出。负反馈对放大器性能的改善频谱的横坐标按照f划分，频率以1/为单位，其振幅频谱有正负振幅不断摆动，且延伸很远，范围与1/成正比。因为作为信号源的生物体内阻很高，与生物体相连的放大器必须有高输入电阻，才能减少信号电压的损失，进而提高信噪比。信号输入中的低频成分可以从上通道(既低通滤波器)传输，而高频成分可以从下通道(即高通滤波器)传输，而对于信号中的中间频率成分，上下两通道均可以通过，其中通过低通滤波器传输出来的电压位相落后，通过高通滤波器传输出来的电压位相超前，它们再分别经过电阻和电容
8、两路传输出来的，电压位相差更大，因为差动放大器的放大倍数Kd定义为uoduid，故可得当输入信号为正极性时，基极电势升高，基极电流和射极电流都增加。其电压传输系数如图38所示。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。电压并联负反馈与电压串联负反馈一样都能使放大器的输出电阻减小。式中Af和f分别为振幅和位相频谱。(4)在阻容耦合放大器中，级间用RC电路耦合信号从电阻两端输出，同时也起到高通滤波的作用。这样可以使负反馈放大器的放大倍数在很宽的频率范围内都与频率无关。信号从两管基极输入(称双端输入)，从两管的集电极输出(称双端输出)，而且对输入信号的要求是两个基
9、极输入信号大小相等，位相相反，称差模输入。如上图所示，也可以解释为负反馈技术是利用失真了的波形来改善波形的失真。晶体管常常工作在极限状态下，如输出电流、功耗等可达到晶体管的相应的极限值，所以要注意功率管的散热和过电流、过电压保护等问题。这样可以使负反馈放大器的放大倍数在很宽的频率范围内都与频率无关。解决的方法可以采用其一，另外加一个电源，以供给最后一级的输出电流。总之，为适应生物医学信号频率总之，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截止频率、高输入阻
10、抗和放大倍数稳定的放大器。定的放大器。实际的信号波形是很复杂的，大多不是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，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。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。用数学表达为成分。用数学表达为 式中当式中当n=1时，时，fn为为f1，是非正弦式，是非正弦式周期波的重复频率，称为基频。此频率的正弦周期波的重复频率
11、，称为基频。此频率的正弦波称为基波，其它正弦波的频率波称为基波，其它正弦波的频率fn都是基频的都是基频的整数倍，称为整数倍，称为n倍频，相应的正弦波为倍频，相应的正弦波为n次谐次谐波。波。.3,2,1,0)2sin(Untfatnnn 以频率为横轴，振幅为纵轴，在横轴以频率为横轴，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引出垂线，其长度表示相应的振幅an，这，这种图称为振幅频谱，也常简称为频谱种图称为振幅频谱，也常简称为频谱(spectrum)。而。而an2组成功率频谱，简称为组成功率频谱，简称为功率谱。各种频率成
12、分的初位相声。组成功率谱。各种频率成分的初位相声。组成的位相谱，称为位相频谱。的位相谱，称为位相频谱。基波和二次谐波的振幅基波和二次谐波的振幅相同，初位相为零。相同，初位相为零。基波和二次谐波的振幅基波和二次谐波的振幅相同，但二次谐波的初相同，但二次谐波的初位相为位相为/2/2。从下面的。从下面的位相频谱图中可以看到。位相频谱图中可以看到。2.脉冲波形的频谱脉冲波形的频谱 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。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。的叠加来组成，频
13、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连续频谱的波形叠加用积分式表达为 式中式中Af和和f分别为振幅和位相频谱。分别为振幅和位相频谱。0)2cos(2)(dfftAtUff 矩形脉冲的宽度为矩形脉冲的宽度为，高度为，高度为1，面积为，面积为1。波形的中。波形的中点在时间坐标点在时间坐标t的零点。的零点。频谱的横坐标按照频谱的横坐标按照f划分，频率以划分，频率以1/为单位，其振幅频为单位，其振幅频谱有正负振幅不断摆动，且延伸很远，范围与谱有正负振幅不断摆动，且延伸很远，范围与1/成正比。成正比。从下面的位相频谱图中可以看到。后级发射极接二极管或稳压二极管其二是增加低通滤波
14、器，称之为电源退耦电路，滤掉电源电压波动。晶体管常常工作在极限状态下，如输出电流、功耗等可达到晶体管的相应的极限值，所以要注意功率管的散热和过电流、过电压保护等问题。使放大倍数更稳定，通频带加宽，放大器非线性失真变小，同时也改变了输入电阻和输出电阻。(2)当Q值高时，此电路称为选频电路，其选频本领大，只允许较窄频率范围的信号通过，称窄带滤波。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。只要电阻选择合适，各级都可以有适当工作点，但信号经分压传输会造成一些损失。其电路由高通滤波和低通滤波共同组合而成，频率特性如图所示，fHfL为其通频带的范围。
15、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110V，比心电信号弱得多，再有胎儿心电信号的幅度约为5V，比母体心电信号弱很多，使噪声电压超出生物电信号电压。除此之外，rbe还随电流变化，比较gF和g0可见，虽然gF小些。对于生物电放大器来讲，电压放大倍数一般都较高。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。把原先脉冲的频谱对称地向负频率侧延伸，然后向右移动f0的距离，就得到。(1)当Q值低时，此电路的选频本领小，允许较宽的频带范围的生物医学信号通过，称宽带滤波。
16、各种频率成分的初位相声。信号从两管基极输入(称双端输入)，从两管的集电极输出(称双端输出)，而且对输入信号的要求是两个基极输入信号大小相等，位相相反，称差模输入。中间频率即陷波频率f0和Q值，经理论证明分别由上式给出。其功率放大器的原理与电压放大器完全相同。这种功率放大器的最大优点是效率高，因为在晶体管截止时没有电流，消耗在晶体管和电阻上的功率明显的减少，为了弥补乙类功率放大器的不足，采用了下面这种功率放大器。钟罩形波，钟罩形波，为波形下降到最大值的为波形下降到最大值的0.6065所需时间，所需时间，1/(2 f)为脉冲的高度，面积为为脉冲的高度，面积为1。它的频谱很平滑。它的频谱很平滑。由这
17、两个脉冲的频谱图可见脉冲愈宽，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。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，根据如人体动脉压力波形比较平滑，根据频谱分析大约含有频谱分析大约含有10个谐波，而心电波形，个谐波，而心电波形，因它含有比较陡的因它含有比较陡的R波，故大约含有波，故大约含有3060个谐波。个谐波。高频脉冲即振幅随高频脉冲即振幅随一个脉冲波形变化的高一个脉冲波形变化的高频振荡。图频振荡。图(a)表示振幅
18、表示振幅随一脉冲波形变化的高随一脉冲波形变化的高频振荡，图频振荡，图(b)是它的频是它的频谱，可以从原先脉冲的谱，可以从原先脉冲的频谱得到。把原先脉冲频谱得到。把原先脉冲的频谱对称地向负频率的频谱对称地向负频率侧延伸，然后向右移动侧延伸，然后向右移动f0的距离，就得到。的距离，就得到。可见，高频脉冲的可见，高频脉冲的频谱形状是由脉冲频谱频谱形状是由脉冲频谱决定的，高频脉冲的频决定的，高频脉冲的频谱位置是高频振荡频率谱位置是高频振荡频率来决定。来决定。在对生物体的一切生物医学信号进行分在对生物体的一切生物医学信号进行分析时，如心电分析、脑电分析和脉波分析，析时，如心电分析、脑电分析和脉波分析，常
19、利用频谱分析手段，从中提取有用的生物常利用频谱分析手段，从中提取有用的生物信号作为临床诊断的依据。信号作为临床诊断的依据。根据生物医学信号特点的分析，根据生物医学信号特点的分析，以及生物电信号进入放大器前还要混以及生物电信号进入放大器前还要混入干扰的具体情况，一般在放大器等入干扰的具体情况，一般在放大器等处理装置前加有滤波器。处理装置前加有滤波器。所谓滤波器就是一种使有用信号所谓滤波器就是一种使有用信号顺利通过，而使无用信号被消除或衰顺利通过，而使无用信号被消除或衰减的电子电路。在滤波电路中必须包减的电子电路。在滤波电路中必须包括与频率有关的元件如电容和电感。括与频率有关的元件如电容和电感。生
20、物医学仪器中的滤波电路，通常由生物医学仪器中的滤波电路，通常由电容器和电阻器组合而成。电容器和电阻器组合而成。在滤波理论中，通常把能够通过的信在滤波理论中，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把消除或衰减号频率范围定义为通带，而把消除或衰减的信号频率范围定义为阻带。通带和阻带的信号频率范围定义为阻带。通带和阻带的界限频率，包括下限频率和上限频率。的界限频率，包括下限频率和上限频率。具体电路有高通和低通滤波，带通和具体电路有高通和低通滤波，带通和带阻滤波，双带阻滤波，双T滤波和滤波和50Hz陷波等。陷波等。高通滤波只允许信号中高频成分顺利通过，高通滤波只允许信号中高频成分顺利通过，且衰减很
21、小，而消除或减弱低频噪声。电压传输且衰减很小，而消除或减弱低频噪声。电压传输函数为函数为222f)(1)/1(TRCRCCRRUUfRf 式中，式中，URf是是uR中频率为中频率为f的交流成分的交流成分的有效值，的有效值，Uf是电路中频率为是电路中频率为f的总电压的的总电压的有效值。有效值。输出电压输出电压URf比总电压有效值比总电压有效值Uf超前一超前一位相位相R。ftgTfffR21cos)2(12TRC2f则滤波特点滤波特点(1)当频率很低时，当频率很低时，f 1，Tf=1，高频成分，高频成分能顺利通过，且位相也不改变。能顺利通过，且位相也不改变。(3)fL=1/2RC为下限频率，通频带
22、为为下限频率，通频带为fL。(4)在阻容耦合放大器中，级间用在阻容耦合放大器中，级间用RC电路耦合电路耦合信号从电阻两端输出，同时也起到高通滤波信号从电阻两端输出，同时也起到高通滤波的作用。的作用。与高通滤波器相反的低通滤波器，只允许信号中的与高通滤波器相反的低通滤波器，只允许信号中的低频成分顺利通过，且衰减很小，进而达到消除或低频成分顺利通过，且衰减很小，进而达到消除或减弱混在信号中的高频噪声的目的。其电路的电压减弱混在信号中的高频噪声的目的。其电路的电压传输函数为传输函数为222f)(11)/1(/1TRCCRCUUfcf 式中，式中，UCf是是uC中频率为中频率为f的交流成分的的交流成分
23、的有效值，有效值，Uf是电路中频率为是电路中频率为f的总电压的有效的总电压的有效值。值。输出电压输出电压UCf比总电压有效值比总电压有效值Uf超落后超落后一位相一位相c。.,2/1cos)/(11)2(1122称为上限频率其中RCffffRCTHCHf滤波特点滤波特点(1)当频率很低时，当频率很低时，f/fH1，Tf=0，高频成分，高频成分被衰减，有低通的作用。被衰减，有低通的作用。(3)fH=1/2RC为上限频率，通频带为为上限频率，通频带为0fH。(4)共发射极电路中的电流放大系数共发射极电路中的电流放大系数随频率变随频率变化的关系式表明，晶体管也有低通滤波的化的关系式表明，晶体管也有低通
24、滤波的作用。作用。带通滤波器就是只允带通滤波器就是只允许通过一个频带中的信号许通过一个频带中的信号成分，在这个频带之外的成分，在这个频带之外的信号成分则被衰减。其电信号成分则被衰减。其电路由高通滤波和低通滤波路由高通滤波和低通滤波共同组合而成，频率特性共同组合而成，频率特性如图所示，如图所示，fHfL为其通频为其通频带的范围。带的范围。电路的重要参数是品电路的重要参数是品质因数质因数Q，定义为，定义为LHLfffHfQ带阻滤波只选择性的衰减一个频带内的信号，而在这个频带范围之外的信号成分都可无衰减的通过。对于生物电放大器来讲，电压放大倍数一般都较高。共模抑制比CMRR也常用分贝表示，规定为20
25、lgKdKC。信号输入中的低频成分可以从上通道(既低通滤波器)传输，而高频成分可以从下通道(即高通滤波器)传输，而对于信号中的中间频率成分，上下两通道均可以通过，其中通过低通滤波器传输出来的电压位相落后，通过高通滤波器传输出来的电压位相超前，它们再分别经过电阻和电容两路传输出来的，电压位相差更大，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。具体电路有高通和低通滤波，带通和带阻滤波，双T滤波和50Hz陷波等。对于生物电放大器来讲，电压放大倍数一般都较高。对于生物电放大器来讲，电压放大倍数一般都较高。从下面的位相频谱图中可以看到。高Q值带阻滤波器，称选频电路，也称
26、陷波器。式中Af和f分别为振幅和位相频谱。反馈(feedback)就是把一个系统的全部或部分输出信号通过某种环节，送回到输入端。射极跟随器的输出电阻很小，所以说电压负反馈使放大器的输出电阻减小。故称RF引出的反馈属于电压并联负反馈。故称RF引出的反馈属于电压并联负反馈。这种功率放大器的最大优点是效率高，因为在晶体管截止时没有电流，消耗在晶体管和电阻上的功率明显的减少，为了弥补乙类功率放大器的不足，采用了下面这种功率放大器。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)。具体电路有高通
27、和低通滤波，带通和带阻滤波，双T滤波和50Hz陷波等。这是因为电路中两侧晶体管的参数，以及电路相对应的电阻不完全一致。上述方法解决了级间电位的耦合问题。射极跟随器的输出电阻很小，所以说电压负反馈使放大器的输出电阻减小。(1)当当Q值低时，此电路的选频本领小，值低时，此电路的选频本领小，允许较宽的频带范围的生物医学信号通过，允许较宽的频带范围的生物医学信号通过，称宽带滤波。称宽带滤波。对于生物医学放大器中经常遇到数十对于生物医学放大器中经常遇到数十千赫以下的低频信号，电阻和电容就可以千赫以下的低频信号，电阻和电容就可以组成带通滤波器，最简单的低频宽带组成带通滤波器，最简单的低频宽带(低低Q值值)
28、滤波器可由高通和低通滤波器共同组合滤波器可由高通和低通滤波器共同组合而成，其允许通过的频带由而成，其允许通过的频带由fL和和fH决定。决定。(2)当当Q值高时，此电路称为选频电路，值高时，此电路称为选频电路，其选频本领大，只允许较窄频率范围的信号其选频本领大，只允许较窄频率范围的信号通过，称窄带滤波通过，称窄带滤波。对于数兆赫以上高频信号，只有用电阻、对于数兆赫以上高频信号，只有用电阻、电容和电感结合起来才能组成高频窄带电容和电感结合起来才能组成高频窄带(高高Q值值)滤波器，而对低频生物医学信号只有电阻、滤波器，而对低频生物医学信号只有电阻、电容和放大器结合起来，才能组成低频窄带电容和放大器结
29、合起来，才能组成低频窄带(高高Q值值)的滤波器。的滤波器。带阻滤波只选择性的衰减一个频带内的信号，带阻滤波只选择性的衰减一个频带内的信号，而在这个频带范围之外的信号成分都可无衰减的通而在这个频带范围之外的信号成分都可无衰减的通过。其电压传输系数如图过。其电压传输系数如图38所示。所示。高高Q值带阻滤波器，称值带阻滤波器，称选频电路，也称陷波器。选频电路，也称陷波器。双双T选频电路，由高通选频电路，由高通滤波和低通滤波组合而成的。滤波和低通滤波组合而成的。信号输入中的低频成分可以信号输入中的低频成分可以从上通道从上通道(既低通滤波器既低通滤波器)传传输，而高频成分可以从下通输，而高频成分可以从下
30、通道道(即高通滤波器即高通滤波器)传输，而传输，而对于信号中的中间频率成分，对于信号中的中间频率成分，上下两通道均可以通过，其上下两通道均可以通过，其中通过低通滤波器传输出来中通过低通滤波器传输出来的电压位相落后，通过高通的电压位相落后，通过高通滤波器传输出来的电压位相滤波器传输出来的电压位相超前，它们再分别经过电阻超前，它们再分别经过电阻和电容两路传输出来的，电和电容两路传输出来的，电压位相差更大，压位相差更大，在某个适当的中间频率下，在某个适当的中间频率下，两路输出电压幅度相等，两路输出电压幅度相等，且位相相反，输出总电压且位相相反，输出总电压为零，起到了使这个中间为零，起到了使这个中间频
31、率的信号被衰减的作用，频率的信号被衰减的作用，即有陷波作用。即有陷波作用。中间频率即陷波频率中间频率即陷波频率f0和和Q值，经理论值，经理论证明分别由上式给出。证明分别由上式给出。中间频率不受负载影响。当接上负载后，中间频率不受负载影响。当接上负载后，Q值一般比输出端开路时要低。另外，由于值一般比输出端开路时要低。另外，由于电阻和电容总有些误差，各个电阻和电容不电阻和电容总有些误差，各个电阻和电容不能严格保持图中标示的比值能严格保持图中标示的比值(或等值或等值)，在中，在中间频率处的传输系数将不等于零。因而品质间频率处的传输系数将不等于零。因而品质因数也低于理论值。因数也低于理论值。LHLHL
32、HffffQRCff21f0 这个电路在生物医学放大器中，常将这个电路在生物医学放大器中，常将f0选为选为50Hz，用来滤掉，用来滤掉50Hz的市电干扰，称的市电干扰，称50Hz陷波器。陷波器。实际应用中希望实际应用中希望Q值很高，只对值很高，只对50Hz波波有陷波作用，但上面电路的品质因数太小，有陷波作用，但上面电路的品质因数太小，很难达到要求。只有与放大器组合起来，才很难达到要求。只有与放大器组合起来，才能提高选频能力，即达到高能提高选频能力，即达到高Q值，这种高值，这种高Q 值的滤波器称为有源滤波。以上滤波器均为值的滤波器称为有源滤波。以上滤波器均为无源滤波器。无源滤波器。一一.反馈的基
33、本概念和分类反馈的基本概念和分类 反馈反馈(feedback)就是把一个系统的全部或部就是把一个系统的全部或部分输出信号通过某种环节，送回到输入端。分输出信号通过某种环节，送回到输入端。在电子学中反馈一般是通过跨接在输入端和在电子学中反馈一般是通过跨接在输入端和输出端之间的性能比较稳定的线性元件，如电阻来输出端之间的性能比较稳定的线性元件，如电阻来完成。完成。将放大器的输出电压或输出电流的一部分或将放大器的输出电压或输出电流的一部分或全部送回到输入端，与输入信号叠加后再送入放大全部送回到输入端，与输入信号叠加后再送入放大器中，如图器中，如图310所示。所示。图中图中ui为输入信号，为输入信号，
34、uo为输出信号，为输出信号，uf为为反馈信号，反馈信号，K0为放大器的放大倍数，为放大器的放大倍数，F为反馈为反馈系数系数(feedback coefficient)，它等于反馈信，它等于反馈信号与输出信号之比，即号与输出信号之比，即F=uf/uo，ui为为ui与与uf合成之后的实际输入信号。合成之后的实际输入信号。从反馈信号与原输入信号的相位关系来从反馈信号与原输入信号的相位关系来看当反馈信号与原输入信号同相位时，即加看当反馈信号与原输入信号同相位时，即加强了输入信号，使放大倍数提高，这种反馈强了输入信号，使放大倍数提高，这种反馈称为正反馈称为正反馈(positive feedback)。反
35、之，当。反之，当反馈信号与原信号反相位时，即减弱了输入反馈信号与原信号反相位时，即减弱了输入信号，称负反馈信号，称负反馈(negative feedback)。正反馈虽然可以提高放大倍数，但失真正反馈虽然可以提高放大倍数，但失真度大，频带变窄，严重的甚至会引起振荡，度大，频带变窄，严重的甚至会引起振荡，使放大器无法工作，所以在放大器中一般不使放大器无法工作，所以在放大器中一般不采用正反馈，而在振荡器中则需要利用正反采用正反馈，而在振荡器中则需要利用正反馈。馈。关于负反馈的方式，从反馈信号与输出电关于负反馈的方式，从反馈信号与输出电压或输出电流成正比的关系来看当反馈信号与压或输出电流成正比的关系
36、来看当反馈信号与输出电压的大小成正比时，称电压负反馈；与输出电压的大小成正比时，称电压负反馈；与输出电流大小成正比时，称电流负反馈。输出电流大小成正比时，称电流负反馈。从反馈信号与输入信号的连接方式来看当从反馈信号与输入信号的连接方式来看当反馈信号与输入信号是串联在一起控制输入信反馈信号与输入信号是串联在一起控制输入信号电压大小的，称为串联负反馈；与输入信号号电压大小的，称为串联负反馈；与输入信号是并联在一起控制输入信号电流大小的，称为是并联在一起控制输入信号电流大小的，称为并联负反馈。归纳起来，负反馈共有四种方式，并联负反馈。归纳起来，负反馈共有四种方式，即电流串联负反馈、电压串联负反馈、电
37、压并即电流串联负反馈、电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流并联负反馈。联负反馈、电流并联负反馈。电流串联负反馈电流串联负反馈 在分压式电流负反馈偏置电路中，在分压式电流负反馈偏置电路中，RE对直流起负反馈作用，使直流工作点对直流起负反馈作用，使直流工作点稳定。稳定。若若RE上的电容上的电容CE去掉，则去掉，则RE对交流对交流也有负反馈作用。也有负反馈作用。与输出电流大小成正比时，称电流负反馈。当输入信号为正极性时，基极电势升高，基极电流和射极电流都增加。(4)在阻容耦合放大器中，级间用RC电路耦合信号从电阻两端输出，同时也起到高通滤波的作用。如果能控制输入信号使其比较小，失真的可能也就小些，工
38、作点的位置选择范围也可适当放宽一些。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。除此之外，rbe还随电流变化，比较gF和g0可见，虽然gF小些。从下面的位相频谱图中可以看到。(1)当频率很低时，f/fH1时，时，KF=1/F，这说明在具有深度负反馈时，电，这说明在具有深度负反馈时，电压放大倍数压放大倍数KF完全由负反馈电路参数决定，完全由负反馈电路参数决定，而与晶体管参数无关。由此排除了放大倍数而与晶体管参数无关。由此排除了放大倍数受晶体管参数的分散性、晶体管参数由于长受晶体管参数的分散性、晶体管参数由于长期使用时发生变化而造成的影响。期使用时发生变化而造成的
39、影响。因负反馈电路通常由电阻组成，所以使放因负反馈电路通常由电阻组成，所以使放大倍数稳定而且能精确计算和控制，基本不受大倍数稳定而且能精确计算和控制，基本不受外界的影响。外界的影响。如果某些原因使输出信号减小，则反馈信如果某些原因使输出信号减小，则反馈信号也减小，使净输入信号增大，通过负反馈对号也减小，使净输入信号增大，通过负反馈对输入端信号进行修正，由此牵制了输出信号的输入端信号进行修正，由此牵制了输出信号的减小，使放大器比较稳定的工作，其中电流负减小，使放大器比较稳定的工作，其中电流负反馈稳定输出电流，电压负反馈稳定输出电压。反馈稳定输出电流，电压负反馈稳定输出电压。2.通频带加宽通频带加
40、宽 频带的限制是由于放大器在不同频率上放大频带的限制是由于放大器在不同频率上放大倍数发生变化而造成的。而在加入负反馈后，排倍数发生变化而造成的。而在加入负反馈后，排除了放大倍数与放大器中与频率有关因素的影响。除了放大倍数与放大器中与频率有关因素的影响。这样可以使负反馈放大器的放大倍数在很宽的频这样可以使负反馈放大器的放大倍数在很宽的频率范围内都与频率无关。放大倍数在很宽的频率率范围内都与频率无关。放大倍数在很宽的频率范围内是稳定的，所以频带就展宽了。范围内是稳定的，所以频带就展宽了。3.非线性失真变小非线性失真变小 由于晶体管的非由于晶体管的非线性，如果工作点选线性，如果工作点选择不合适，或输
41、入信择不合适，或输入信号太大，都会造成输号太大，都会造成输出信号失真。如果能出信号失真。如果能控制输入信号使其比控制输入信号使其比较小，失真的可能也较小，失真的可能也就小些，工作点的位就小些，工作点的位置选择范围也可适当置选择范围也可适当放宽一些。加进负反放宽一些。加进负反馈，使信号的电压或馈，使信号的电压或电流被反馈抵消一部电流被反馈抵消一部分，达到能控制输入分，达到能控制输入信号并使其比较小的信号并使其比较小的目的，所以可以减少目的，所以可以减少非线性失真。非线性失真。如上图所示，也可以解释为负如上图所示，也可以解释为负反馈技术是利用失真了的波形来改反馈技术是利用失真了的波形来改善波形的失
42、真。善波形的失真。1.串联反馈使电路的输入电阻增大：串联反馈使电路的输入电阻增大：ioifRFKR)1(2.并联反馈使电路的输入电阻减小：并联反馈使电路的输入电阻减小：)1(FKRRoiif3.电压反馈使电路的输出电阻减小：电压反馈使电路的输出电阻减小：)1(FKRRooof4.综合上面三种负反馈综合上面三种负反馈4.电流反馈使电路的输出电阻增加：电流反馈使电路的输出电阻增加：ioifRFKR)1(在实际应用中电阻要产生热噪声，从而降在实际应用中电阻要产生热噪声，从而降低了放大器的信噪比，所以反馈环节的电阻不低了放大器的信噪比，所以反馈环节的电阻不宜太大。宜太大。在放大电路中还存在着在线路图上
43、看不出在放大电路中还存在着在线路图上看不出来的反馈环节，如电源寄生反馈，它主要是后来的反馈环节，如电源寄生反馈，它主要是后级的输出电流通过电源，由于电源总有些内阻，级的输出电流通过电源，由于电源总有些内阻，当后级的输出电流改变时，使电源电压也随之当后级的输出电流改变时，使电源电压也随之改变，这个改变量作用到前级上，导致反馈，改变，这个改变量作用到前级上，导致反馈，且常常成为正反馈。这种寄生反馈不仅影响放且常常成为正反馈。这种寄生反馈不仅影响放大器性能，而且当正反馈过大时，还可使放大大器性能，而且当正反馈过大时，还可使放大器变成振荡器，不能正常工作。器变成振荡器，不能正常工作。解决的方法可以采用
44、其一，另外加一个解决的方法可以采用其一，另外加一个电源，以供给最后一级的输出电流。其二电源，以供给最后一级的输出电流。其二是增加低通滤波器，称之为电源退耦电路，是增加低通滤波器，称之为电源退耦电路，滤掉电源电压波动。滤掉电源电压波动。在电路中除电源的寄生反馈以外，还在电路中除电源的寄生反馈以外，还有线路之间存在的分布电容，由于它的影有线路之间存在的分布电容，由于它的影响，高频信号都有位相的变化，使某些频响，高频信号都有位相的变化，使某些频率上的负反馈转变成正反馈，最后导致正率上的负反馈转变成正反馈，最后导致正反馈过大，放大器因发生高频振荡而不能反馈过大，放大器因发生高频振荡而不能正常工作。正常
45、工作。负反馈类型的判别法负反馈类型的判别法(1)用瞬时极性法来判别正、负反馈；用瞬时极性法来判别正、负反馈；(2)用输出短路法来判别电压、电流反馈；用输出短路法来判别电压、电流反馈；(3)用反馈信号在输入端连接方式，来判用反馈信号在输入端连接方式，来判别是串联反馈还是并联反馈；别是串联反馈还是并联反馈；各种生物电信号中包含了频率很低的成各种生物电信号中包含了频率很低的成分，在胃液压力和分，在胃液压力和pH的测量中还会遇到很多的测量中还会遇到很多不变化或慢变化信号。不变化或慢变化信号。这些直流或接近直流的慢变化信号不能这些直流或接近直流的慢变化信号不能用阻容耦合放大器进行放大，因此需要频带用阻容
46、耦合放大器进行放大，因此需要频带从零开始的直流放大器。从零开始的直流放大器。直流放大器有直接放大和调制放大两种。直流放大器有直接放大和调制放大两种。直流放大器面临两个问题一是各级直接直流放大器面临两个问题一是各级直接耦合时没有隔直电容，直流电压相互不能隔耦合时没有隔直电容，直流电压相互不能隔离，使前、后级的静态工作点互相影响。二离，使前、后级的静态工作点互相影响。二是零点漂移问题。当输入为零而输出不为零，是零点漂移问题。当输入为零而输出不为零，且输出电压值在零点附近上下漂动且具随机且输出电压值在零点附近上下漂动且具随机性，这种现象称为零点漂移性，这种现象称为零点漂移(zero drift)。造
47、成零点漂移是由于元件的老化、电源造成零点漂移是由于元件的老化、电源电压的波动、特别是晶体管的参数随温度而变电压的波动、特别是晶体管的参数随温度而变化等多种原因造成的。零点漂移引起输出电压化等多种原因造成的。零点漂移引起输出电压的变化与被放大的有用信号无法区别开，对于的变化与被放大的有用信号无法区别开，对于直流放大器，前级引起的零点漂移电压，被后直流放大器，前级引起的零点漂移电压，被后级放大，最后将掩盖正常输出。而差动放大器级放大，最后将掩盖正常输出。而差动放大器是克服零点漂移和抑制外界干扰的直流放大器是克服零点漂移和抑制外界干扰的直流放大器的主要电路形式。的主要电路形式。1.后级接发射极电阻后
48、级接发射极电阻RE 此时此时T2管的基射电压等管的基射电压等于于T1的集射电压减去的集射电压减去RE上的上的电压。只要适当的选择电压。只要适当的选择RE的的阻值，可使阻值，可使T1管和管和T2管都有管都有合适的工作点，都工作在放合适的工作点，都工作在放大区，但大区，但RE的接入将产生电的接入将产生电流负反馈，使第二级的放大流负反馈，使第二级的放大倍数下降。且倍数下降。且RE值还逐级增值还逐级增大，电流负反馈逐渐加深，大，电流负反馈逐渐加深，使放大倍数依然很小。使放大倍数依然很小。2.后级发射极接二极管后级发射极接二极管或稳压二极管或稳压二极管 当二极管加上正向电压当二极管加上正向电压或稳压二极
49、管加上反向偏或稳压二极管加上反向偏置电压时，流过它们的电置电压时，流过它们的电流在一定范围内变化时，流在一定范围内变化时，二极管两端的电压基本不二极管两端的电压基本不变。用二极管的压降代替变。用二极管的压降代替RE的电压，可以保证的电压，可以保证T2管管有合适的静态工作点，且有合适的静态工作点，且因二极管的交流电阻很小，因二极管的交流电阻很小，所以电流负反馈作用很小，所以电流负反馈作用很小，从而可使电路的放大倍数从而可使电路的放大倍数降低较小。降低较小。3辅助电源法辅助电源法 上述方法解决了级间电位上述方法解决了级间电位的耦合问题。为了得到较大的的耦合问题。为了得到较大的电压放大倍数，一般采取
50、多级电压放大倍数，一般采取多级放大器，在共发射极放大电路放大器，在共发射极放大电路中，每级集电极电位都高于基中，每级集电极电位都高于基极电位。结果使输出电位不断极电位。结果使输出电位不断上升，在一定电源电压下，能上升，在一定电源电压下，能够输出的电压幅度下降，所以够输出的电压幅度下降，所以必须采取相应措施补偿直流电必须采取相应措施补偿直流电位的偏移。位的偏移。前级集电极用两个电阻前级集电极用两个电阻R1、R2连接在一个负的辅助电源上，连接在一个负的辅助电源上，然后电阻然后电阻R1、R2的连接点与后的连接点与后级基极连接起来。只要电阻选级基极连接起来。只要电阻选择合适，各级都可以有适当工择合适，
