生物电前置放大器研究与设计

第26卷第8期增刊　　　　　　　　　　　　

仪　器　仪　表　学　报　　　　　　　　　　　　2005年

8月

生物电前置放大器研究与设计

吕英俊　杨　雪

(山东科技大学信息与电气工程学院　青岛　266510)

摘要　介绍一种由高性能仪表放大器AD623组成的生物电前置放大器, 分析了生物电前置放大器的性能, 并通过实验证明该设计的合理性。采用运放单电源供电电路, 实现成本低廉, 结构简单, 性能优越的设计, 可广泛应用于低功耗医疗仪器设备。关键词　前置放大器　生物电信号　仪表放大器AD 623

The Research and Design of Bioelectrical Preamplifier

Lv Ying jun 　Yang 　Xue

(Colle ge of I nf ormation &Electrical Engineering , Shandong University

of Science and Technology , Qingdao 266510, China )

Abstract 　A kind of high-pow ered bioelectrical preamplifier composed by amplifier AD623is introduced. The ca-pabili ty of the bioelectrical amplifier is analysing and the reasonabilit y of the design is prov ed by ex periments . Adopting single supply operat or amplifier, the design realizes low cost , simple const ruction and superio r capabil-ity. It can be widely used in low power medical instruments. 　Amplifier AD 623Key words 　Preampli fi er 　Bioelect rical signal

响, 生物电前置放大器的放大倍数不能过大, 以免干扰

1　引　　言

生物体是一个与外界有密切联系的开放系统, 各种生物信号都属于低频的微弱自然信号, 为了对生物信号进行各种处理和显示, 必须首先将信号放大到所要求的强度。生物电是反映人体各种生理状态的一种重要信息, 而前置放大器是生物电放大器的核心。对于人体电现象测量时, 通常要求在若干测量点中取任意两点间的电位差值为输入量, 所以, 采用差动电路形式的前置放大器毋庸置疑。

信号淹没有用信号。因此对生物电前置放大器有以下基本要求:

(1) 输入阻抗高

a 　生物电信号源本身是高内阻的微弱信号, 通过电极提取又呈现出不稳定的高内阻性质。

b 　与放大器输入端相连的信号源内阻高达100k Ψ, 放大器输入阻抗应至少大于1M Ψ。

　如果使信号源内阻与放大器输入阻抗之比为c

1/100,失真和误差可减小到忽略不计。

(2) 高增益

生物电信号幅值小, 因此应在保证共模抑制比较大的情况下提高前置放大器的增益。

(3) 高共模抑制比(CM RR 值大)

为了抑制人体携带的干扰信号, 选用差动放大形式, CM RR 值越高, 抑制干扰能力越强。

(4) 低噪声

低噪声性能主要取决于前置级, 正确分配放大器的增益等, 可以获得良好的低噪声性能。

2　设计思想

生物电信号是强噪声背景下的超低频(0. 5～100Hz ) 、微弱(0. 1～1mV ) 信号。其干扰源来源广泛, 主要有近场50Hz 干扰和电极极化电压干扰。因为各种生物电信号中大都包含有50Hz 的频率成分, 而生物电信号的强度远远小于50Hz 的干扰。电极与生物

生物电信号大都为低频信号, 基线漂移对测量带来严重影响。采用差动输入电路、设置复零电路等, 能实现低漂移性能。

基于以上设计要求, 选用AD 公司的高性能运放AD623, AD623是一个集成单电源仪表放大器, 它能在单电源(3～12V ) 下提供满电源幅度的输出。AD623允许使用单个增益设置电阻进行增益编程, 以得到更好的用户灵活性, 且符合8引脚的工业标准引脚配置。在无外接电阻条件下, AD623被设置为单位增益(G=1) , 在接入外接电阻后, AD623可编程设置增益, 其增益最高可达1000倍。AD623通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比(AC CM RR) 而保持最小的误差。线路噪声及谐波将由于共模抑制比(CM RR ) 在高达200Hz 时仍保持恒定而受到抑制。AD623具有较宽的共模输入范围, 它可以放大具有低于地电平150mV 共模电压的信号, 虽然AD623是按照工作于单电源方式进行的优化设计, 但当它工作于双电源(±2. 5～±6. 0V ) 时, 仍然能提供优良的性能。低功耗(3V 时1. 5mW ) 、宽电源电压范围、满电源幅度输出, 使AD623成为电池供电应用的理想选择。在低电源电压下工作时, 满电源幅度输出级使动态范围达到最大。AD623可取代分立的仪表放大器设计, 且在最小的空间内提供很好的线性度、温度稳定性和可靠性。

源为射极提供稳定电流, 有利于静态工作点及输入信号的稳定。

但是随着增益的提高, 共模抑制比就会有所下降, 因此电路的对称性就尤为重要。前级采用双运放组成并联型差动放大器。理论上不难证明, 在运算放大器为理想的情况下, 并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大, 共模抑制比也为无穷大。另外, 在理论上并联型差动放大器的共模抑制比与电路的外围电阻的精度和阻值无关。在采用单电源供电的情况下, 双端输入必须有一个公共的地, 因此在输入端采用一种电阻分压电路, 来提供虚拟的公共点, 达到抑制共模干扰的效果。此时, 由于分压电路提供了一定的直流偏移量, 基准电压REF 就可以直接接地。在信号的双输入端, 加入对地滤波电容, 以消除由于导联导线所带来的射频干扰。由于射频信号属于高频信号, 而人体的电阻相当于无穷大, 所以所加的滤波电容数值不能太大, 在100pF 以下就可以。

其具体电路如图2所示

。

3　设计概述

仪表放大器为了满足对微弱信号的放大作用, 具有高的放大倍数, 高的输入阻抗和共模抑制比。AD 623的内部结构如图, 是典型的三运放放大电路, 又有恒流

图2

通常在生理信号采集的过程中, 加入右腿驱动电路, 即通过电阻网络取出的平均交流共模电压, 送入右腿驱动放大器反相放大, 经限流电阻加到右腿电极, 能够有效的抑制工频50Hz 的共模干扰信号, 而且, 也可以省去AD623端分压电阻提供的共地信号, 而由右腿驱动电路提供一个共地点。但此时, 虽然AD 623能够用作单端供电方式, 但是对于双极性信号, 由于输入端没有分压电路提供直流偏移量, 就会出现截波现象, 如果不对基准电压REF 进行合理的设置, 就不能进行双极性放大, 所以针对输入信号的大小及放大程度, 合理调整基准电压值, 使得信号放大完整且不失真。这里采用滑动变阻器外接REF 法进行调整。电路结构如图3

图1

所示。

与仪表放大器AD623在单电源供电作用下组成的生物电前置放大器, 能够对含有大共模成分的微弱差模信号进行有效放大。实现了成本低廉, 结构简单, 性能优越的设计, 可广泛应用于低功耗医疗仪器设备。　　参考文献

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Car r,

John M.

Bro wh.

Introductio n to

B io medica l equipment tech no lo gy. J ho n W iley &So ns,

4　结　　论

本设计通过双运放差分放大电路, 右腿驱动电路

(上接第73页)

V r 的差值ΔV i 对应某个光栅FBG i 的波长偏移量, 也即对应于所加的应变量。拍频相等的光栅的中心反射波长不一样, 因此对应的电压差值不同; 中心反射波长相等的光栅放置在不同位置上, 因此拍频不等, 从而可以实现分布式Bragg 光栅的复用和解调。系统利用中心波长相位变化测量应变的分辨率达到了33n ε。　　参考文献

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namic strain mea sur ements by fibe r Bragg g rating sen-so r. Sensor s a nd Actuato rs A :Phy sica l, 2004, 110(1):276～281.

f s =5kHz; F-P 可调谐滤波器线宽为0. 2nm , 电压调制系数3. 21nm /V;同一分支上各光栅之间的距离均为10m, 得到的G 1～G 9对应的拍频分别为:15k Hz, 35k Hz , 55k Hz , 15k Hz , 35k Hz , 55k Hz , 15k Hz , 35k Hz , 55k Hz, 如图4所示

。

从图4中可以看出, 在相同时延位置处的拍频信号相等, 即:f b1=f b4=f b7, f b2=f b5=f b8, f b3=f b6=f b9。当频谱分析仪上检测到拍频信号时记录控制电压V i , 它与