新型的高性能生物電放大器

摘要：本文提出了一種新型的高性能生物電前置放大器。電路采用TI公司的低價儀器放大器和運算放大器構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，不需調(diào)試，但性能優(yōu)異，可望在醫(yī)學(xué)儀器和各種工業(yè)測控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：放大器，生物電，輸入阻抗，共模抑制比

一．引言 生物電信號十分微弱，在檢測生物電信號的同時存在強大的干擾，如工頻50Hz和極化電壓等干擾。前者主要是以共模形式存在，幅值可達(dá)幾V甚至幾十V，所以生物電放大器必須具有很高的共模抑制比。后者是由于測量電極與生物體之間構(gòu)成化學(xué)半電池而產(chǎn)生的直流電壓，最大可達(dá)300mV，因此，生物電放大器的前級增益不能過大，或者需要采用超低頻的交流放大器。由于信號源內(nèi)阻可達(dá)幾十KW、乃至幾百KW，所以，生物電放大器的輸入阻抗必須在幾MW以上。綜上所述，設(shè)計高質(zhì)量的生物電放大器有許多技術(shù)困難。因此，設(shè)計高質(zhì)量的生物電放大器一直受到國內(nèi)外專家和學(xué)者所重視[1~6]。

近年來，微電子技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，出現(xiàn)了許多高性能的集成化儀器放大器，如美國TI公司、ADI公司和Linear公司等生產(chǎn)了很多不同檔次的集成化儀器放大器，為設(shè)計生物電放大器提供了充分的選擇。然而，由于生物電信號檢測的特殊性，直接采用集成化儀器放大器來作為生物電放大器，仍然存在許多問題，效果并不能令人滿意。

本文介紹了使用TI公司生產(chǎn)的廉價集成化儀器放大器和運算放大器，設(shè)計了一種新的結(jié)構(gòu)形式的高性能生物電放大器，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，不需調(diào)試，但性能十分優(yōu)異[7]。

二．新型高性能生物電放大器的設(shè)計 一般說來，集成化儀器放大器具有很高的共模抑制比和輸入阻抗，因而在傳統(tǒng)的電路設(shè)計中都是把集成化儀器放大器作為前置放大器。然而，絕大多數(shù)的集成化儀器放大器，特別是集成化儀器放大器，它們的共模抑制比與增益相關(guān)：增益越高，共模抑制比越大。而集成化儀器放大器作為生物電前置放大器時，由于極化電壓的存在，前置放大器的增益只能在幾十倍以內(nèi)，這就使得集成化儀器放大器作為前置放大器時的共模抑制比不可能很高。有學(xué)者試圖在前置放大器的輸入端加上隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）來避免極化電壓使高增益的前置放大器進入飽和狀態(tài)，但由于信號源的內(nèi)阻高，且兩輸入端不平衡，隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）使等共模干擾轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_，結(jié)果適得其反，嚴(yán)重地?fù)p害了放大器的性能。

為了實現(xiàn)高性能的生物電放大器，本文提出了如圖1所示的電路結(jié)構(gòu)：

1. 前級采用運放A1和A2組成并聯(lián)型差動放大器。理論上不難證明，在運算放大器為理想的情況下，并聯(lián)型差動放大器的輸入阻抗為無窮大，共模抑制比也為無窮大。更值得一提的是，在理論上并聯(lián)型差動放大器的共模抑制比與電路的外圍電阻的精度和阻值無關(guān)。

2. 阻容耦合電路（行業(yè)內(nèi)稱為時間常數(shù)電路）放在由并聯(lián)型差動放大器構(gòu)成的前級放大器和由儀器放大器構(gòu)成的后級放大器之間，這樣可為后級儀器放大器提高增益，進而提高電路的共模抑制比提供了條件。同時，由于前置放大器的輸出阻抗很低，同時又采用共模驅(qū)動技術(shù)，避免了阻容耦合電路中的阻、容元件參數(shù)不對稱（匹配）導(dǎo)致的共模干擾轉(zhuǎn)換成差模干擾的情況發(fā)生。

3. 后級電路采用廉價的儀器放大器，將雙端信號轉(zhuǎn)換為單端信號輸出。由于阻容耦合電路的隔直作用，后級的儀器放大器可以做到很高的增益，進而得到很高的共模抑制比。

從理論上計算整個電路的共模抑制比為：

式中：CMR_Total或CMRR_Total－放大器的總共模抑制比；CMR1－第一級放大器的共模抑制比；CMR2或CMRR2－第二級放大器的共模抑制比；A1d、A1c、A2d和A2c－分別為第一級放大器和第二級放大器的差模增益和共模增益。

圖1 高性能生物電放大器

經(jīng)過實際測量，圖1所示的電路采用圖中所給出的參數(shù)時，電路的共模抑制比在120dB以上。

為了進一步提高電路的實用性，提高電路對工頻干擾的能力，圖2所示電路中增加了生物電信號檢測中常用而有效的右腿驅(qū)動電路[8]。限于篇幅，這里不再贅述。

圖2 具有右腿驅(qū)動的生物電放大器

三．結(jié)束語 本文提出了一種新型結(jié)構(gòu)的高性能、低成本、免調(diào)試的生物電放大器。該放大器巧妙地利用了儀器放大器的共模抑制比與增益的關(guān)系，結(jié)合阻容耦合電路、共模驅(qū)動技術(shù)，實現(xiàn)了放大器的高性能，特別適合于生物電信號檢測的應(yīng)用，該電路也適合于其它交流信號的測控系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn) [1] A.C.Metting Van Riji, et al.,High-quality recording of bio-electric events. Med. & Bio. Eng. & Comput., 1990,28:389-397.

[2] D.W. McRobbie, Rapid recovery physiological preamplifier without AC coupling capacitor. Med. & Bio. Eng. & Comput., 1990,28:198-200.

[3] I.A.Dotsinsky, et al., Multi-channel DC amplifier for a microprocessor electrocardiograph. Med. & Bio. Eng. & Comput., 1991,29:324-329.

[4] 李剛、曹紅斌，一種低噪聲前置放大器的設(shè)計，中國醫(yī)療器械雜志，第13卷第1期，1989：18-19。

[5] 李剛，林凌，曹玉珍，于學(xué)敏，12導(dǎo)D/AC反饋型心電信號放大器的研究，儀器儀表學(xué)報，第21卷第5期，pp124-126,2000年10月。

[6] 李剛，虞啟璉，于學(xué)敏，高性能多通道生物電放大器，天津大學(xué)學(xué)報，第33卷第5期，2000年9月，分類號：TH772+.1；文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A；文章編號：0493-2137(2000)05-0648-04。

[7] 李剛，高共模抑制比前置放大器，中國專利，申請?zhí)枺?2129065.2。

[8] Bruce B. Winter & John G. Webster, Driven-Right-Leg Circuit Design. IEEE Trans. 1983, BME-30(1):58-62.