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本课件讲解生物医学常用放大器，先说明生物医学信号的特点与频谱，再依次展开常用滤波电路、负反馈放大器、直流放大器与差分放大、集成运算放大器的理想模型与基本运算电路，最后介绍功率放大器。
第三章 生物医学常用放大器
利用电子技术，可以把除了生物电以外的各种生理参数借助医用传感器变成易控制的电信号，进行放大、信号加工、A/D转换、显示和记录，从而方便地研究和观察生命过程的各种微妙变化。临床诊断数据一般分为物理量、生化量等几种形式，这些非电量可借助医用传感器变成电信号后再予处理。
第三章内容目录：
一、生物医学信号的特点
从表中可以看出：
A. 正弦信号：图示正弦信号的时域波形与频域表示，单一频率对应频域上的一条谱线。
B. 方波信号：满足狄利克雷条件可展开成傅里叶级数，含直流分量、基波分量、三次谐波分量等。
频谱：将一个信号分解为正弦信号的集合，得到其正弦信号幅值随角频率变化的分布，称为该信号的频谱。
⒈ 周期性波形的频谱：n = 0、1、2、3……，n = 1 时 f1 为非正弦周期波的重复频率，称为基频，相应的正弦波称为基波；其余频率 fn 都是基频的整数倍，称为 n 倍频，相应的正弦波称为 n 次谐波，一般用频谱的方法表示。
周期信号频谱图：横轴为角频率 ω，纵轴为幅值，基波与各次谐波以离散谱线形式排列。
⒉ 脉冲波形的频谱：在时间上短促的波形称为脉冲。单个孤立的波形可以用一系列正弦波的叠加来组成，频率取连续值，具有连续频谱，连续频谱的波形叠加用积分式表达。
矩形脉冲频谱图：标出脉冲高度、矩形脉冲宽度 τ，频谱零点出现在 1/τ 的整数倍处（2/3π、2/5π、2/7π 等位置）。
脉冲频谱的衰减特性：频谱幅值随频率升高而衰减，图中给出 1/2πτ、2/2πτ、3/2πτ 处对应的 0.6065、0.135、0.01 等数值。
拉氏变换和傅立叶变换都是积分变换，通过积分变换把已知的时域函数变换为频域函数。
第二节 常用滤波电路
Review（复习）
放大电路的分析：
失真分析：可输出的最大不失真信号取决于静态工作点的选择，图中给出 Q、Q′、Q″ 与负载线上的工作范围。
静态工作点的稳定：温度升高使 IC 增大，固定偏置电路的 Q 点不稳定，可能靠近饱和区或截止区导致失真，常采用分压式偏置电路，当温度升高、IC 增加时自动减少 IB，保持 Q 点基本稳定。
分压式偏置电路：由 RB1、RB2 分压，RE 构成射极直流负反馈，CE 为交流旁路电容。
多级阻容耦合放大电路：耦合即信号的传送，耦合方式有直接耦合、阻容耦合、变压器耦合、光电耦合。对耦合电路的要求：静态保证各级 Q 点设置；动态传送信号、波形不失真、减少压降损失。
性能分析关键：考虑级间影响。静态 Q 点同单级；动态性能上 ri2 = RL1，即后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻。
多级阻容耦合放大器的特点：
射极输出器接在首级可提高输入电阻，接在末级可减小输出电阻，接在中间级可起匹配作用。
常用滤波电路
滤波器的分类：
低通滤波器：对低频信号几乎无衰减地传输，但阻止高频信号通过。最简单的是由电容 C 构成，结构稍复杂的是 C 型、L 型、π 型、T 型低通滤波器。图示 RC 低通电路与幅频特性，上限频率为 fH。
滤波特点分析：
高通滤波器：对高频信号几乎无衰减地传输，但阻止低频信号通过。图示 RC 高通电路与幅频特性，下限频率为 fL。
滤波特点分析：
带通滤波器：对规定频带内的信号可以无衰减地传输，而对低于或高于该频带的信号有很大的衰减。图示幅频特性与下限频率 fL、上限频率 fH。
数兆赫兹以上的高频信号需用电阻、电容和电感组合成高 Q 值滤波器；低频生物医学信号只有电阻、电容和放大器结合才能组成低频窄带高 Q 值滤波器。
带阻滤波器：只阻止所规定频段的信号，低于或高于该频段的信号都能通过。图示幅频特性与 fL、fH 的关系。
带阻滤波器的双T网络电路：由 R、C、R/2、2C 等元件组成，接在输入 Ui 与输出 Uo 之间。
陷波频率：输出开路时的理论值在实际电路中接上负载后 Q 值会降低；由于电阻电容存在误差，f0 处的传输系数不会等于零，实际的 Q 值往往低于理论值。带阻滤波器在生物医学放大电路中常常用作 50Hz 陷波器，用来滤掉 50Hz 的市电干扰，此时 f0 = 50Hz。
判断正负反馈要判断反馈信号与输入信号的相位关系，同相是正反馈，反相是负反馈。
反馈框图：由基本放大器与反馈网络组成，反馈信号与输入信号叠加后得到实际被放大的信号，同相加强为正反馈（用于振荡器），反相削弱为负反馈（用于放大器）。
负反馈的作用：稳定静态工作点、稳定放大倍数、提高输入电阻、降低输出电阻、扩展通频带。
根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈：
在反馈网络中串接隔直电容可以隔断直流，使反馈只对交流起作用；在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容，可以使其只对直流起作用。有的反馈对交、直流信号均起作用。
负反馈的分类小结：分为交流反馈与直流反馈两大类，交流负反馈又分电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈、电流并联负反馈；直流负反馈用于稳定静态工作点。
⒈ 电流串联负反馈：由于某种原因使 IC ↑，通过 RE 使 VE ↑、VBE ↓、IB ↓、IC ↓，构成直流负反馈的自动调整过程。
交流通路：uf = ie·RE ≈ −io·RE 就是反馈电压，ube = ui − uf，反馈信号 uf 以电压形式出现，在输入回路中抵消 ui，使净输入电压减小、放大倍数下降。由 RE 产生的 uf 与 ui 串联，属串联负反馈；uf 与输出电流 io ≈ ie 成比例，即输出取样对象为电流。
电流反馈的重要特点是维持输出电流的恒定：在 ui 一定的条件下，不论何种原因使 io 减小，负反馈将引起 uf ↓、ube ↑、io ↑ 的自动调整过程，如 β 下降或 RL 增大时同样如此。
⒉ 电压串联负反馈：在输入回路中，RE 上的反馈电压与加在三极管基极上的输入信号电压是串联关系，相加的结果是基极上输入电压的变化量相应减少，所以是负反馈。
射极跟随器：ui = uo + ube = uo + rbe·ib，电路的电压放大倍数略小于 1，输出电压与输入电压同相，输出电压跟随输入电压变化。
射极跟随器不能对输入信号电压进行放大，但输出电流远比基极输入电流大，功率放大倍数 Kp = uo·ie / (ui·ib) ≈ β + 1。通常 RE ≫ (R′s + rbe)/(1+β) 且 β ≫ 1。例：β = 50，rbe = 1kΩ，Rs = 50Ω，RB = 100kΩ 时 R′s ≈ 50Ω，ro = 21Ω。射极跟随器的输出电阻很小，一般在几十欧到几百欧的范围内，电压负反馈使放大器的输出电阻减小。
电路的输入电阻：在不考虑 RB1、RB2 分流作用的情况下 R′E = RE ∥ RL；考虑到 RB1、RB2 分流作用后输入电阻降低。电压串联负反馈有很高的输入阻抗，这对生物医学信号的测量有重要意义。
不管是串联还是并联负反馈，只要是电压反馈都具有稳定输出电压的作用：当 ui 一定时，若负载电阻 RL 减小而致使 uo 下降，则 uf ↓、ube ↑、uo ↑，从而维持输出电压基本不变。
电压反馈的重要特点是使电路的输出电压基本维持恒定，其实质是利用输出电压 uo 本身的变化通过反馈元件对放大电路起自动调整作用。由于电压串联负反馈具有高输入电阻、低输出电阻，常作为阻抗转换装置，插在各级放大器之间以及信号源与放大器之间以匹配阻抗。医学仪器中广泛应用由场效应管组成的源极跟随器，场效应管具有噪声小、输入电阻高等优点。
⒊ 电压并联负反馈：ii = if + ib，三极管所得到的净输入电流 ib = ii − if，if 与 ii 是并联关系，基极电流实际发生的改变较小，输出电压较小，使放大倍数降低，电路为电压并联负反馈。
当 Rs = 0 时 if 与 ii 无关，反馈信号将不起作用；当 Rs ≠ 0 且很大时反馈影响最大。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，维持输出电压基本恒定。
负反馈小结：
四、负反馈对放大器性能的改善：由基本放大电路 Ko 与反馈回路 F 构成闭环，开环放大倍数、反馈系数与闭环放大倍数之间满足相应关系。
一、对放大倍数的影响：Ko 为开环放大倍数，KF 为闭环放大倍数，并定义反馈深度。
由于反馈信号与输入信号同相（负反馈接法），则有：负反馈使放大倍数下降，引入负反馈使电路的稳定性提高。若称为深度负反馈，此时在深度负反馈的情况下，放大倍数只与反馈网络有关。
二、对通频带的影响：引入负反馈使电路的通频带宽度增加，闭环带宽 BF 大于开环带宽。
三、改善波形的失真：加入反馈后，反馈信号与输入信号叠加，使输出波形失真减小。
四、对输入、输出电阻的影响：
3. 电压负反馈使电路的输出电阻减小（例如射极输出器）：电压负反馈的目的是阻止 Δuo 的变化、稳定输出电压。放大电路空载时可等效为电压源，输出电阻越小，输出电压越稳定。
4. 电流负反馈使电路的输出电阻增加：电流负反馈的目的是阻止 Δio 的变化、稳定输出电流。放大电路空载时可等效为电流源，输出电阻越大，输出电流越稳定。
四、抑制干扰和噪声。
五、负反馈类型的判别——电压反馈与电流反馈判别方法：电压反馈一般从后级放大器的集电极采样，电流反馈一般从后级放大器的发射极采样。
并联反馈与串联反馈判别方法：并联反馈的反馈信号接于晶体管基极，串联反馈的反馈信号接于晶体管发射极。注意：直流反馈中输出电压指 UCE，输出电流指 IE 或 IC。
用输出短路法判别：将放大器的输出端短路，如果此时反馈信号不再存在，就是电压反馈；若反馈信号依然存在，就是电流反馈。
判断负反馈的方法——瞬时极性法：假设输出端信号有一定极性的瞬时变化，依次经过反馈、比较、放大后再回到输出端，若输出信号与原输出信号的变化极性相反则为负反馈，反之为正反馈。电压反馈要从输出电压的微小变化开始，电流反馈要从输出电流的微小变化开始，判断时在输入端也要反映出反馈信号与输入信号的比较关系。
直流放大器需要解决的两个问题：
问题1：前后级 Q 点相互影响。增加 R2、RE2 用于设置合适的 Q 点。
问题2：零点漂移。前一级的温漂将作为后一级的输入信号，使得当 ui = 0 时 uo ≠ 0，有时会将信号淹没。
一、直流放大器的级间耦合：
⒊ 辅助电源法：由 +EC、RB、RC1、RC2、R1、R2 与辅助电源 EB 构成，实现直接耦合的电平配置。
⒋ 利用 PNP 型管与 NPN 型管的组合电路，由 +EC、RB、RC1、RC2 与 T1、T2 构成，实现直接耦合。
二、差分放大器：特点为结构对称。
电路根据两个输入信号之差来工作，所以称为差动式电路。
抑制零漂的原理：当 ui1 = ui2 = 0 时，uo = UC1 − UC2 = 0；当温度变化时 uo = (UC1 + ΔuC1) − (UC2 + ΔuC2) = 0，两管的漂移互相抵消。
差分放大器的改进型
⑴ 具有射极公共电阻的差动放大器：T(℃) ↑ → IC1 ↑、IC2 ↑ → IE ↑ → UE ↑ → UBE1 ↓、UBE2 ↓ → IB1 ↓、IB2 ↓ → IC1 ↓、IC2 ↓，通过 RE 抑制温漂。
⑵ 带恒流源的差动放大器：由 T3 与 R1、R2、R3 构成的恒流源取代射极公共电阻 RE，接在 +EC 与 −EE 之间。
恒流源的作用：
带恒流源的差动放大器电路：由 +EC、RC1、RC2、T1、T2 与恒流源（T3、R1、R2、R3、RE）构成。
差放电路的几种接法：输入端有双端、单端两种接法，输出端也有双端、单端两种接法。
对 Kd 而言，双端输入与单端输入效果是一样的。双端输入时 ui1 = −ui2 = 0.5ui，ud = 0.5ui、uc = 0；单端输入时 ui1 = −ui、ui2 = 0，ud = 0.5ui、uc = 0.5ui。
差分放大器具有抑制零点漂移的能力，且有灵活的输入输出方式，被广泛应用于各种生物医学测量仪器中，它是集成运算放大器的基础。
三、调制型直流放大器
⒈ 斩波调制器：由开关 S 与电阻 R 构成，把缓慢变化的直流输入 ui 斩波成交流信号 uA 后再予放大。
⒉ 解调：信号经调制、交流放大、解调三个环节，由 S、R1、RL、R2、C1、C2 等构成，把放大后的交流信号还原为直流输出。
解调电路：由开关 S 与 R1、RL、R2、C1、C2 构成，对应 t0～t3 各时刻完成对被调制信号的解调输出。
集成电路内部结构的特点：
原理框图：由输入级、中间级、输出级构成，u− 为反相输入端（与 uo 反相），u+ 为同相输入端（与 uo 同相），T1～T5 与恒流源 IS 组成内部电路。
集成运放的结构：
对输入级要尽量减小零点漂移、提高 KCMRR、增大输入阻抗；对中间级要求足够大的电压放大倍数；对输出级要求输出阻抗 ro 小、给出足够的输出电流。
理想运放：ri → ∞，CMRR → ∞，ro → 0，Kd → ∞。图中给出国际符号与国内符号。
二、集成运放的主要性能指标：
还有其他一些反映运放对称性、零漂等的参数，不再一一介绍。
三、运放工作在线性区时的特点：Kd 越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能扩大输入信号的线性范围。例：若 UOM = 12V，Ao = 10⁶，则 |ui| < 12μV 时运放处于线性区。
四、集成运放的理想模型：由于运放的开环放大倍数很大、输入电阻高、输出电阻小，为便于分析常将其理想化。理想运放的条件包括"虚地"、放大倍数与负载无关，分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。
理想运放的条件：输入信号为零时输出电压为零，特性不随温度变化。对于各种实际的集成运放电路，可以用理想模型进行分析、计算，从而简化分析且不影响结果。
五、运算放大器的基本电路
一、反相放大器：结构特点是负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入，i1 = if，有虚连接与虚开路。R2 = R1 ∥ RF 为平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。反相放大器的闭环电压放大倍数只与外接电阻 R1、RF 有关，而与集成运放本身的参数无关。当 RF = R1 时 uo = −ui，即为反相器。
2. 电路的输入电阻 ri = R1，R2 = R1 ∥ RF。为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时需增大 RF，而大电阻的精度差，因此在放大倍数较大时该电路结构不再适用。
4. 共模电压电位为 0，即"虚地"；输出电阻小、共模电压为 0 以及"虚地"是反相输入的特点，反馈方式为电压并联负反馈。
反相放大器的特点：
例：求 Ku =？电路由 R1、R2、R3、R4 与 RF 构成，利用 i1 = i2 及虚连接、虚开路求解。
当 RF ≫ R4 时，可得到该 T 型反馈网络放大电路的电压放大倍数近似结果。
该放大电路在放大倍数较大时可避免使用大电阻，但 R3 的存在削弱了负反馈。
二、同相放大器：结构特点是负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入，u− = u+ = ui，反馈方式为电压串联负反馈，输入电阻高，Ii = 0，i1 = if。
同相比例电路的特点：
三、电压跟随器：结构特点是输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。此电路是电压并联负反馈，输入电阻大、输出电阻小，在电路中的作用与分立元件的射极输出器相同，但电压跟随性能好。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。
四、差分放大器：当 R1 = R2、R3 = RF 时，可解出输出电压与两输入电压的关系；当 R1 = R2 = R3 = RF 时，输出电压等于两输入端电压之差，实现减法运算。
差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（等于 2R1），这是由于反相输入造成的。
一、反相加法运算：由 R11、R12、RF 与 RP 构成，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。
调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。
二、同相求和运算：由 R1、RF、R21、R22 构成，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。
此电路如果以 u+ 为输入，则输出为相应的加权和。注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整；流入运放输入端的电流为 0（虚开路）。
三、加减运算电路：由 R1、R2、R3、R4、R5 与 RF 构成，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数。
利用虚短路、虚开路分析加减运算电路，列出各输入支路的电流关系求解输出电压。
输出电压等于各输入电压按不同比例相加或相减。如果 R1、R2、R3、R4 取不同的值，需按权重进行加减法；如果 R1 = R2 = R3 = R4，可以实现普通的加减运算。
比例运算电路与加减运算电路小结：
㈢ 微分运算电路与积分运算电路
一、微分运算：u− = u+ = 0，由 R、R2、C 构成，若输入为 ui 则输出 uo 与输入的变化率成比例。
二、积分运算：由 R、R2、C 构成，输入方波时输出是三角波。
积分电路的主要用途：
㈣ 对数与反对数运算电路
一、对数运算电路：二极管 PN 结的正向电流为指数关系，UT = 26mV，理想运放时 i1 = iD，两边取对数即得输出与输入的对数关系。
二、反对数运算电路：理想运放时 iD = if，uD = ui，实现反对数（指数）运算。
三、乘除法运算电路：先对 ui1、ui2 取对数得 lnui1、lnui2，相加得 ln(ui1·ui2)，再经指数运算得到 ui1·ui2，从而实现乘法（除法同理）。
㈤ 测量放大器：由 A1、A2、A3 三个运放与 R、RW、R1、R2 构成的三运放电路。
利用虚短路、虚开路列出 A1、A2 与 RW 支路的电流关系，求出 uo1、uo2 与输入电压的关系。
输出级由运放 A 与 R1、R2 构成，把前级输出 uo1、uo2 转换为单端输出 uo。
三运放电路的特点：
例1：由三运放放大器组成的温度测量电路。Rt 为热敏电阻，E = +5V，该电路可集成化为仪表放大器。
温度测量原理：Rt = f(T℃)，温度变化使热敏电阻阻值改变，经三运放电路转换为输出电压 uo 的变化。
例2：心电放大器（书 p105）：同相串联型差分放大器，由 A1、A2 与 R1、RF1、R2、RF2 构成，当满足条件时可得到相应的输出关系。
㈥ 电压比较器
UR 为参考电压，ui 为被比较信号。
一、若 ui 从同相端输入：运放处于开环状态。当 ui > UR 时 uo = +Uom，当 ui < UR 时 uo = −Uom，图示传输特性。
二、若 ui 从反相端输入：当 ui < UR 时 uo = +Uom，当 ui > UR 时 uo = −Uom，传输特性与同相输入相反。
三、过零比较器（UR = 0 时）：ui 过零时输出在 +UOM 与 −UOM 之间跳变。
例：利用电压比较器将正弦波变为方波，输出为 ±Uom 的方波。
比较器的特点：
㈥ 有源滤波电路：四种典型的频率特性——低通、高通、带通、带阻的幅频特性曲线。
有源滤波器的优点：
有源滤波器的缺点：
有源低通滤波器：由 R、C 与运放及 R1、RF 构成，也可由 R、R1、RF、C、R2 构成的另一种形式实现。
如何组成高通滤波器？将低通滤波器中的 R、C 对调，低通滤波器就变成了高通滤波器。图中对比低通与高通电路。
有源陷波器：由 C、R/2、2C、R1、R2、R3 与运放构成。当 f > f0 时阻抗低，u+ = ui；当 f < f0 时信号经 R 传输；当 f = f0 时形成陷波。注意：Q 值不宜过大，通常不超过 10，否则易产生振荡。
§3.6 功率放大器
功率放大器的作用：用作放大电路的输出级，以驱动执行机构，如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。
例1：扩音系统，由信号提取、电压放大与功率放大构成。
例2：温度控制：R1−R3 为标准电阻，Ua 为基准电压，Rt 为热敏电阻，A 为电压放大器，功放驱动加热元件调节温控室温度。
一、甲类功率放大器、乙类功率放大器：甲类功率放大器的晶体管工作点在特性曲线的线性部分，由 +EC、R1、R2、RE 与大功率管构成。
功放电路应注意的问题：功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值 ICM、UCEM、PCM。
Pomax 为负载上得到的交流信号功率，PE 为电源提供的直流功率。
甲类功率放大器波形：Q 点位于负载线中部，ic 与 uCE 在整个周期内连续变化。
如何解决效率低的问题？办法是降低 Q 点，但降低 Q 点又会引起截止失真。既降低 Q 点又不会引起截止失真的办法是采用推挽输出电路或互补对称射极输出器。
二、变压器耦合推挽功率放大器
变压器原、副边阻抗关系：从原边等效，变压器原边的等效负载为副边所带负载乘以变比的平方。
⒈ 特点：利用变压器的阻抗变换（RL′ = K²RL）功能，通过改变变压器的匝数比 K，使电路得到合适的负载，实现功放电路和负载间的匹配，以弥补其它类型功放电路的不足。
2. 原理电路：放大器由两个共射极放大器组成，两个三极管的射极接在一起。图中标出输入变压器与输出变压器的 N1、N2 绕组。
2. 动、静态分析——静态分析：ui = 0 时 T1、T2 均截止，iL = 0，变压器线圈对于直流相当于短路。
动态分析：
T1、T2 都只在半个周期内工作，存在交越失真。
三、无变压器耦合功率放大器：
克服交越失真的措施：电路中增加 R1、D1、D2、R2 支路。静态时 T1、T2 两管发射结电位分别为二极管 D1、D2 的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态。
两管导通时间均比半个周期大一些的工作方式称为"甲乙类放大"。动态时输入正弦信号：正半周 T2 截止、T1 基极电位进一步提高进入良好导通状态；负半周 T1 截止、T2 进入良好导通状态，从而克服死区电压的影响，去掉交越失真。
四、集成功率放大器：特点是工作可靠、使用方便，只需在器件外部适当连线即可向负载提供一定的功率。
第三章结束页（END），标示本份课件内容结束。
抑制零点漂移的原理：ΔVo = ΔVo1 − ΔVo2。因为电路完全对称，所以无论温度的变化还是电源电压的波动，ΔVC1 = ΔVC2，或 ΔVo1 = ΔVo2，相同的变化量互相抵消，致使输出电压不变，从而抑制了零点漂移。
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