几种新型的高性能生物电放大器

作者：张馨予

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，因此，设计高质量的生物电放大器有许多技术困难。

本文介绍了使用ADI公司生产的集成化仪用放大器和运算放大器，设计了几种新的结构形式的高性能生物电前置放大器。

图1 生物电前置放大器设计应用一

图2 生物电前置放大器设计应用二

图3 生物电前置放大器设计应用三

几种新型高性能生物电放大器

设计应用一

该放大电路由四部分构成：仪用放大器A5构成的前级放大器，运放A4构成后级差分放大器，直流补偿放大器A3以及A1、A2构成右腿驱动电路，电路结构如图1所示。这个电路突出的优点是引入了直流补偿电路，使最初的直流耦合放大器成为交流耦合放大器，来去除极化电压的影响。

因为极化电压最大可以达到300mV，所以在交流耦合中减少极化电压的影响是必须的。在这个电路中，采用了直流补偿放大器来抵消直流偏移量。以心电采集为例，如果左臂直流偏移量为+300mV，右臂为0V，那么，差动输入电压为300mV。假设前级仪用放大器增益为5，那么，仪用放大器输出幅值会达到1.5V，如果后级放大倍数为50或者更高，输出并不会出现达到75V从而饱和的情况。因为在这个电路中，反馈回路提供了一个相等的反相电压给参考点，由于这种线性加和的影响，极化电压被消除，输出饱和的情况不会出现。

然而，绝大多数的集成化仪用放大器的共模抑制比与增益相关：增益越高，共模抑制比越大。而集成化仪用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，这就使得集成化仪用放大器作为前置放大器时的共模抑制比不可能达到最高。

对于该电路，选择器件时要注意：作为前级放大器的仪用放大器在低增益时要求有较高的共模抑制比，由于其后有直流补偿电路以及该级放大倍数很小，所以，对仪用放大器输入失调电压要求不是太高。对于正负电源供电的系统，可以选用ADI公司的仪用放大器AD620。它具有以下特性：增益可调（1~1000）；供电范围宽（2.3V~18V）；输入失调电压最大为50V；输入偏置电流最大为1nA；增益较低时具有较大的共模抑制比（G=10时，共模抑制比最小为100dB）等，满足设计要求。对于后级差分放大器运放A4来说，放大倍数主要在这一级实现，所以要求运放有很低的输入失调电压。可以选用ADI公司的OP747（四运放）、OP2177（双运放），均具有微伏量级的失调电压和良好的性能。

设计应用二

该电路由四部分构成：并联型双运放构成的前级放大器，阻容耦合电路，由集成仪用放大器构成的后级放大器和共模信号取样驱动电路，电路设计如图2所示。

并联型双运放的优点是不需精密的匹配电阻，理论上它的共模抑制比为无穷大，且与其外围电阻的匹配程度无关。但是并联型双运放的输出为双端差动输出信号，如果仅用单端输出信号时将不再具有这一优点。所以本电路在后级使用集成仪用放大器A5，将双端差动输出信号转换为常用的单端输出信号。集成仪用放大器具有较优良的性能，但由于其共模抑制比正比于差模增益，而同时器件存在较高的失调电压且通常信号源中存在较大的直流偏移电压（如检测生理电信号时的极化电压和传感器中的零点偏移电压），在直接应用集成仪用放大器作为前置放大器时并不能取得最高的共模抑制比性能。于是本电路在后级使用集成仪用放大器，并采用阻容耦合电路隔离直流信号，因而可使得集成仪用放大器取得较高的差模增益，从而得到很高的共模抑制比性能。共模取样驱动电路由两个等值电阻R4 、R5和一只由运算放大器A3组成的跟随器构成。A3的输入信号取自A1和A2输出端两个串联电阻的中点电压Vc，即当只有差模信号的输出V01=V02时，有VC=0，则运放A3的输出电压为0，等同于接地；而当兼有共模电压和差模信号输入时，A3的总输出只包含输入信号的共模部分VC=1/2(Vi1+Vi2)。从而使得共模信号不经阻容耦合电路的分压直接加在集成放大器的输入端，避免了由于阻容耦合电路的不匹配而降低电路整体的共模抑制比。