第03章节生物医学常用放大器幻灯片.ppt

第三章 生物医学常用放大器,第一节 生物电信号的特点,第二节 负反馈放大器,第三节 直流放大器,第三章 生物医学常用放大器,,第四节 功率放大器,,第一节 生物电信号的特点,一、生物电信号的基本特性,二、生物医学放大器的基本要求,第三章 生物医学常用放大器,,一、生物电信号的基本特性,1.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 非生物电信号：如体温、血压、呼吸等,分类：,,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第三章 生物医学常用放大器,,（1）频率特性：生物电信号的频带主要在低频和超低频范围内如脑电信号的频带集中在0.5Hz至100Hz范围；心电信号的频带在0.05Hz至100Hz；肌电信号的频带为10Hz至2KHz （2）幅值特性：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,第三章 生物医学常用放大器,,二、生物医学放大器的基本要求,基本要求：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，选用放大器有如下要求： 1.高放大倍数 4.低噪声 2.高输入阻抗 5.低漂移 3.高共模抑制比 6.合适的频带,第三章 生物医学常用放大器,,第二节 负反馈放大器,一、反馈的基本概念,二、负反馈的基本类型,三、负反馈对放大器性能的影响,第三章 生物医学常用放大器,,一、反馈的基本概念,(一) 反馈的定义 凡将放大器输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，称为反馈（feed back）。

方框图如下所示：,,第三章 生物医学常用放大器,,A 无反馈时的放大倍数 F 反馈网络的反馈系数,（1）由基本放大电路和反馈网络两部分组成 （2）反馈信号与输入信号在放大器的输入端叠加 （3）基本放大器的净输入信号,输入信号,净输入信号,反馈信号,输出信号,第三章 生物医学常用放大器,,,,1.正反馈和负反馈 正反馈：反馈使净输入信号增加，使输出量增大 负反馈：反馈使净输入信号减小，使输出量减小 判定方法：采用瞬时极性法. （1）在放大器的输入端，假定输入信号电压ui处于某 一瞬时极性如用“＋”号 （2）按照电压信号传输方向，根据放大器基-射同 相，基-集反相原则，判断反馈信号uf瞬时极性3）如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小，则为 负反馈；反之为正反馈二）反馈的类型及其判定方法,第三章 生物医学常用放大器,,,注意：正反馈虽然能使放大倍数增加，但却造成放 大器的不稳定性，只用于振荡电路负反馈虽然降 低放大倍数，但能有效改善放大器的性能2.直流反馈和交流反馈,直流反馈：反馈只对直流起作用 交流反馈：反馈只对交流信号起作用 交直流反馈：既有直流量又有交流量的反馈 直流负反馈的作用:稳定静态工作点。

交流负反馈:改善放大电路动态性能 交直流负反馈:既可稳定Q点又可改善动态参数第三章 生物医学常用放大器,,在直流通路中，如果有反馈存在，则为直流反馈 在交流通路中，如果有反馈存在，则为交流反馈 如果在直、交流通路中，反馈回路都存在，即为 交、直流反馈 电路特点:(1)反馈网络中串接隔直电容，可以隔断 直流，反馈只对交流起作用 (2)如果在起反馈作用电阻两端并联旁路 电容，反馈只对直流起作用判定方法：,第三章 生物医学常用放大器,,Rf、Re2直流负反馈,Rf、Re2交流负反馈,第三章 生物医学常用放大器,,根据反馈输出采样信号的不同，又分为电压反馈和电流反馈 如果反馈信号取自输出电压信号，叫电压反馈 如果反馈信号取自输出电流信号，叫电流反馈 判定方法：当输出电压短路 uo = 0 ，若反馈消失为电压反馈,反之则为电流反馈3.电压反馈和电流反馈,第三章 生物医学常用放大器,,电压反馈,,电流反馈,第三章 生物医学常用放大器,,根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈 串联反馈：反馈信号与输入信号在输入回路中以电压的形式相加减 并联反馈：反馈信号与输入信号在输入回路以电流形式相加减。

判定方法：如输入信号Xi与反馈信号Xf在输入回路的不同端点，则为串联反馈 如输入信号Xi与反馈信号Xf在输入回路的相同端点，则为并联反馈4.串联反馈和并联反馈,第三章 生物医学常用放大器,,,,,,ube=ui-uf,反馈到发射极为串联反馈,,ib=ii-if,反馈到基极为并联反馈,第三章 生物医学常用放大器,,二、负反馈的基本类型,由于反馈网络在放大器输出端有电压和电流两种取样方式，在放大电路输入端有串联和并联两种求和方式，负反馈放大器构成四种反馈类型电压串联负反馈 电流串联负反馈 电压并联负反馈 电流并联负反馈,第三章 生物医学常用放大器,,电路如图所示（射随器）,Re 介于输入输出回路之间，有反馈存在反馈电压 uf= uo ， 反馈量与 输出电压有关，为电压反馈反馈类型分析如下：,（一）电压串联负反馈,从输入端来看：ud = ui –uf，以电压形式相加减，故为串联反馈第三章 生物医学常用放大器,,,正、负反馈的判断：采用“瞬时极性法” 假设某一瞬时，在放大器的输入端加入一个正 极性的输入信号，如图所示按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性，最后确定反馈信号的瞬时极性为正因此反馈使 净输入ud 减小，为负反馈。

反馈类型——电压串联负反馈,电压负反馈— 稳定输出电压—负载变化时，输出电压稳定—输出电阻↓,稳压过程：,RL,ud(ube) ,,第三章 生物医学常用放大器,,（二）电流串联负反馈,反馈类型分析如下:,RE连接输入、输出回路，为反馈电阻净输入信号ube = ui - uf 以电压形式比较，为串联反馈uf = ie RE  ic RC ，uf 正比于输出电流，为电流反馈RB1,,,,,,,,,,,,,,,RC,C1,C2,,RB2,,,RE,RL,+,+UCC,ui,uo,+,+,–,–,,,,,,RS,uS,–,,+,–,ube,uf,,,,,,,,第三章 生物医学常用放大器,,根据瞬时极性法，反馈电压uf 削弱了净输入电压大小，为负反馈结论：反馈类型 —电流串联负反馈,电流负反馈具有稳定输出电流的作用稳流过程：,第三章 生物医学常用放大器,,（三）电压并联负反馈,RF为输出与输入联系支路，因此有反馈存在净输入信号为： ib = ii - if，以电流形式相比较，为并联反馈反馈电流削弱净输入电流ib为负反馈 反馈RF取自于输出电压，为电压反馈反馈类型—电压并联负反馈,稳压过程：,第三章 生物医学常用放大器,,（四）电流并联负反馈,RF为反馈电阻，反馈取自电流端，为电流反馈。

在输入端以电流形式相比较， ib = ii - if，并联反馈反馈电流削弱了净输入电流为负反馈第三章 生物医学常用放大器,,三、负反馈对放大器性能的影响,反馈电路的 基本方程：,,Af,,闭环放大倍数,第三章 生物医学常用放大器,,1. 降低放大倍数,,则有：,结论: 负反馈使放大倍数下降, | 1+AF| 称为反馈深度，其值愈大，负反馈作用愈强第三章 生物医学常用放大器,,2.提高放大倍数的稳定性,,例如，1+ AF = 101，dA/A =  10% 则， dAf/Af = （ 10 %）101   0.1 %,,引入负反馈后使放大倍数的稳定性提高,第三章 生物医学常用放大器,,若|AF| 1，称为深度负反馈，此时：,,,结论：深度负反馈条件下，放大倍数仅与反馈电路有关而反馈电路一般由无源元件组成，受温度影响较小，故Af比较稳定第三章 生物医学常用放大器,,3.减少非线性失真,无负反馈,有负反馈,接近正弦波,,,F,,,略小,略大,,uf,uo,,改善波形的失真,第三章 生物医学常用放大器,,4.展宽通频带,放大器加入负反馈后，放大倍数下降，但通频带却加宽了，如图所示第三章 生物医学常用放大器,,5.对输入、输出电阻的影响,(1)对输入电阻的影响,无反馈时,有反馈时,串联负反馈使输入电阻增大,Rif,,,第三章 生物医学常用放大器,,并联负反馈使输入电阻减小,Rif,,,第三章 生物医学常用放大器,,电压负反馈使输出电阻减小,电压负反馈→稳定输出电压（当负载变化时）→恒压源→输出电阻小。

电流负反馈使输出电阻提高,电流负反馈→稳定输出电流（当负载变化时）→恒流源→输出电阻大2）对输出电阻的影响,第三章 生物医学常用放大器,,总结：引入负反馈改善性能的一般原则,要稳定直流量——引直流负反馈 要稳定交流量——引交流负反馈 要稳定输出电压——引电压负反馈 要稳定输出电流——引电流负反馈 要增大输入电阻——引串联负反馈 要减小输入电阻——引并联负反馈,第三章 生物医学常用放大器,,第三节 直流放大器,一、直流放大器的零点漂移,二、差分放大器,第三章 生物医学常用放大器,,一、直流放大器的零点漂移,1.零点漂移：输入电压为零，而输出电压缓慢变化的现象，简称零漂如下图所示第三章 生物医学常用放大器,,2.引起零点漂移的原因 （1）晶体管的参数(ICBO、UBE、β)随温度的变化而变化，引起电路中静态工作点的变化，所以零点漂移也称为温度漂移（简称温漂） （2）电源电压的波动：在多级直接耦合放大器中各级漂移中，又以第一级的漂移影响最为严重，减小输入级的零点漂移，成为多级直接耦合放大器一个至关重要的问题第三章 生物医学常用放大器,,3.出现问题 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，造成错误输出。

4.解决零漂的方法 放大器的输入级采用差分放大器差分放大器具有抑制零点漂移的作用，广泛用于集成电路的输入级第三章 生物医学常用放大器,,二、差分放大器(differential amplifier),输入信号ui1、ui2 由两管的基极输入， 输出电压uo取自两管 的集电极这种电路 称为双端输入—双端 输出差分放大器电路结构：T1、T2管特性和参数相同，具有相同的温度特性第三章 生物医学常用放大器,,（1）静态时，IC1=IC2、UCl=UC2 UO=UCl-UC2=0 （2）温度变化时 ΔIC1=ΔIC2ΔUCl=ΔUC2 uo=ΔUCl-ΔUC2=0由温度变化引起的零点漂移被有效地抑制 差分放大器对称结构对两管所产生的同向温度漂移具有较好的抑制作用，这是它的突出优点1.零点漂移的抑制,第三章 生物医学常用放大器,,(1)共模输入(common-mode input) 两管基极输入信号大小相等，极性相同，即uil = ui2，这样的输入称为共模输入差分放大器对共模信号没有放大作用，即放大倍数为零 温度变化所引起的零点漂移和其它干扰信号都可以视为共模信号，差分电路抑制共模信号能力的大小反映出它对零点漂移的抑制水平，在高质量的直流放大器中第一级总是采用差分放大器。

2.差分放大器对信号的放大作用,第三章 生物医学常用放大器,,(2)差模输入(differential input) 两管基极输入信号大小相等，极性相反，即uil = -ui2，这样的输入称为差模输入差模输入信号使两管的集电极电流IC一增一减，相应的两管的集电极电位一减一增，差动放大电路的输出电压为两管各自输出电压变化量的两倍，也就是将要放大的输入信号 例如：ΔUCl = -1V，ΔUC2 = 1V， 则u -1V-1V= -2V,第三章 生物医学常用放大器,,改进原因：在实际电路中，完全对称的情况并不存在，单靠电路的对称性来抑制零点漂移是有限的；同时差分电路中每个管的集电极电位的漂移并未得到抑制，如果采用单端输出则根本无法抑。