新型的高性能生物电放大器

　　摘要：本文提出了一种新型的高性能生物电前置放大器。电路采用TI公司的低价仪器放大器和运算放大器构成，电路结构简单，成本低廉，不需调试，但性能优异，可望在医学仪器和各种工业测控系统中得到广泛的应用。

　　关键词：放大器，生物电，输入阻抗，共模抑制比

　　一.引言

　　生物电信号十分微弱，在检测生物电信号的同时存在强大的干扰，如工频50Hz和极化电压等干扰。前者主要是以共模形式存在，幅值可达几V甚至几十V，所以生物电放大器必须具有很高的共模抑制比。后者是由于测量电极与生物体之间构成化学半电池而产生的直流电压，最大可达300mV，因此，生物电放大器的前级增益不能过大，或者需要采用超低频的交流放大器。由于信号源内阻可达几十KW、乃至几百KW，所以，生物电放大器的输入阻抗必须在几MW以上。综上所述，设计高质量的生物电放大器有许多技术困难。因此，设计高质量的生物电放大器一直受到国内外专家和学者所重视[1~6]。

　　近年来，微电子技术得到迅猛的发展，出现了许多高性能的集成化仪器放大器，如美国TI公司、ADI公司和Linear公司等生产了很多不同档次的集成化仪器放大器，为设计生物电放大器提供了充分的选择。然而，由于生物电信号检测的特殊性，直接采用集成化仪器放大器来作为生物电放大器，仍然存在许多问题，效果并不能令人满意。

　　本文介绍了使用TI公司生产的廉价集成化仪器放大器和运算放大器，设计了一种新的结构形式的高性能生物电放大器，电路结构简单，成本低廉，不需调试，但性能十分优异[7]。

　　二.新型高性能生物电放大器的设计

　　一般说来，集成化仪器放大器具有很高的共模抑制比和输入阻抗，因而在传统的电路设计中都是把集成化仪器放大器作为前置放大器。然而，绝大多数的集成化仪器放大器，特别是集成化仪器放大器，它们的共模抑制比与增益相关：增益越高，共模抑制比越大。而集成化仪器放大器作为生物电前置放大器时，由于极化电压的存在，前置放大器的增益只能在几十倍以内，这就使得集成化仪器放大器作为前置放大器时的共模抑制比不可能很高。有学者试图在前置放大器的输入端加上隔直电容(高通网络)来避免极化电压使高增益的前置放大器进入饱和状态，但由于信号源的内阻高，且两输入端不平衡，隔直电容(高通网络)使等共模干扰转变为差模干扰，结果适得其反，严重地损害了放大器的性能。

　　为了实现高性能的生物电放大器，本文提出了如图1所示的电路结构：

　　1. 前级采用运放A1和A2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。更值得一提的是，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。

　　2. 阻容耦合电路(行业内称为时间常数电路)放在由并联型差动放大器构成的前级放大器和由仪器放大器构成的后级放大器之间，这样可为后级仪器放大器提高增益，进而提高电路的共模抑制比提供了条件。同时，由于前置放大器的输出阻抗很低，同时又采用共模驱动技术，避免了阻容耦合电路中的阻、容元件参数不对称(匹配)导致的共模干扰转换成差模干扰的情况发生。

　　3. 后级电路采用廉价的仪器放大器，将双端信号转换为单端信号输出。由于阻容耦合电路的隔直作用，后级的仪器放大器可以做到很高的增益，进而得到很高的共模抑制比。

　　从理论上计算整个电路的共模抑制比为：

　　

 

　　式中：CMRTotal或CMRRTotal-放大器的总共模抑制比;CMR1-第一级放大器的共模抑制比;CMR2或CMRR2-第二级放大器的共模抑制比;A1d、A1c、A2d和A2c-分别为第一级放大器和第二级放大器的差模增益和共模增益。

　　

 

　　图1 高性能生物电放大器

　　经过实际测量，图1所示的电路采用图中所给出的参数时，电路的共模抑制比在120dB以上。

　　为了进一步提高电路的实用性，提高电路对工频干扰的能力，图2所示电路中增加了生物电信号检测中常用而有效的右腿驱动电路[8]。限于篇幅，这里不再赘述。

　　

 

　　图2 具有右腿驱动的生物电放大器

　　三.结束语

　　本文提出了一种新型结构的高性能、低成本、免调试的生物电放大器。该放大器巧妙地利用了仪器放大器的共模抑制比与增益的关系，结合阻容耦合电路、共模驱动技术，实现了放大器的高性能，特别适合于生物电信号检测的应用，该电路也适合于其它交流信号的测控系统中。

　　参考文献

　　[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] 李刚、曹红斌，一种低噪声前置放大器的设计，中国医疗器械杂志，第13卷第1期，1989：18-19。

　　[5] 李刚，林凌，曹玉珍，于学敏，12导D/AC反馈型心电信号放大器的研究，仪器仪表学报，第21卷第5期，pp124-126,2000年10月。

　　[6] 李刚，虞启琏，于学敏，高性能多通道生物电放大器，天津大学学报，第33卷第5期，2000年9月，分类号：TH772+.1;文献标识码：A;文章编号：0493-2137(2000)05-0648-04。

　　[7] 李刚，高共模抑制比前置放大器，中国专利，申请号：02129065.2。

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