第3章生物医学常用放大器ppt课件.ppt

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1、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

2、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

3、,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

4、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

5、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

6、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。

7、,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

8、= 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 =

9、 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

10、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 =

11、 （ 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

12、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

13、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、)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，

14、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 IC1=IC2UCl=U

15、C2 uo=UCl-UC2=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

16、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：UCl = -1V，UC2 = 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制漂移

17、,必须从改进电路着手，来减小每个三极管自身的零点漂移。,3.典型差分放大器的改进,第三章 生物医学常用放大器,（1）长尾式差分放大器,电路特点：接入射极电阻RE、辅助负电源UEE，采用正负双电源供电。为使电路左右平衡，设置调零电位器Rw。,双电源的作用：,1）使信号变化幅度加大。 2）IB1、IB2由负电源-UEE提供。,第三章 生物医学常用放大器,射极电阻RE的作用是稳定静态工作点，限制每一个三极管的漂移范围，减小每个管子的零点漂移。,第三章 生物医学常用放大器,该电路为双端输入双端输出对称差分放大器。,电路性能分析：电路如右图所示。,静态分析： 静态工作点计算：,第三章 生物医学常用放大器

18、,直流通路如右图所示,第三章 生物医学常用放大器,动态分析（单边交流通路）,RE对差模信号不起作用,第三章 生物医学常用放大器,若差分电路接入负载RL，对于差分输入信号而言，RL中心电位为零, 所以放大倍数变为：,输入电阻,输出电阻,第三章 生物医学常用放大器,差分放大器共模抑制比（CMRR）的定义,共模抑制比：放大器对差模信号的放大倍数和对 共模信号的放大倍数之比。,共模抑制比愈大，说明电路抑制零漂能力愈强。,CMRR Common Mode Rejection Ratio,第三章 生物医学常用放大器,在差分电路中，提高共模抑制比的有效途径是增大射极电阻RE，但会造成静态工作点偏低，这在电子

19、电路中是不可取的，采用恒流源来代替射极电阻是常用措施之一。,（2）恒流源式差放电路,第三章 生物医学常用放大器,恒流源的作用:,恒流源相当于阻值很大的电阻。 恒流源不影响差模放大倍数。 恒流源影响共模放大倍数，使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值为无穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。,第三章 生物医学常用放大器,4.差分放大器的输入输出方式,第三章 生物医学常用放大器,第四节 功率放大器,三、集成功率放大器,二、互补对称功率放大器,一、功率放大器的特点和分类,第三章 生物医学常用放大器,一、功率放大器的特点和分类,1功率放大器工作特点 （1）在不失真情况下能输出尽可能大

20、的功率。在选择功放管时要特别注意集电极最大允许电流ICM、管压降最大值UCEO、最大耗散功率PCM等极限参数的选择，以确保管子安全工作。通常要给功放管加装散热片，防止管子因过热而损坏。,第三章 生物医学常用放大器,注意：功放电路中电流、电压值都比较大，电路参数不能超过晶体管的极限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。,第三章 生物医学常用放大器,（2）效率要高。在输出功率比较大的情况下效率问题尤为突出。功率放大器的最大输出功率与电源所提供的功率之比称为效率，用公式表示：,Pom : 负载上得到的交流信号功率。 PE ： 电源提供的直流功率,第三章 生物医学常用放大器,（3）尽量减小非线性失真

21、。由于功率放大器处于大信号工作状态，输出电压和电流的变化幅度较大，有可能超出特性曲线的线性范围，容易产生非线性失真。 （4）功放管的散热问题。实际功率放大电路中,为了提高输出信号功率, 在功放管一般加有散热片。 （5）分析方法。功率放大器处于大信号极限工作状态，必须采用图解分析法。,第三章 生物医学常用放大器,2. 功率放大器的分类 通常按静态工作点在交流负载线上的位置不同，功率放大器可分为甲类、乙类和甲乙类等三种工作状态。如图所示：,第三章 生物医学常用放大器,静态工作点位于负载线的中点，在输入信号的整个周期内都有电流流过三极管。输入交流信号为零时，直流电源仍提供有IC和UCE。电源提供的功

22、率PE全部消耗在管子和电阻上。当有交流输入信号加入时，其中一部分转换为有用的输出功率，另一部分转换为管耗。 其特点为工作状态失真小，静态电流大，管耗大，效率低。,（1）甲类功率放大器,第三章 生物医学常用放大器,（2）乙类功率放大器,静态时IC0，乙类放大器的管耗基本为零。当有交流信号输入后，电源供给的直流功率大部分转换为交流输出，效率提高了。 在乙类工作状态时，加入输入信号的整个周期内，放大器只在半个周期内导通，另半个周期则截止，波形产生了严重的失真。 其特点为静态电流为零，管耗小，效率高。,第三章 生物医学常用放大器,甲乙类功率放大器的静态工作点位于甲类和乙类之间，靠近截止区，在这种情况下

23、，静态值IC较小，功放管的静态功耗也较小。 电路加入交流输入信号后，电压、电流波形在负半周也产生了失真。 其特点为静态电流小 ，管耗小，效率高。,（3）甲乙类功率放大器,第三章 生物医学常用放大器,引入原因：在甲乙类和乙类状态下工作时，虽然提高了功率放大器效率，但产生了严重的失真。既要保证静态时管耗小，又要输出失真小，只能从电路结构上想办法。 下面介绍工作在乙类或甲乙类状态的互补对称功率放大器。,二、互补对称功率放大器,第三章 生物医学常用放大器,（1）电路结构特点: NPN、 PNP两管特性一致，双电源供电，输出无隔直电容。,1.OCL互补对称功率放大器(Output CapacitorLe

24、ss),第三章 生物医学常用放大器,（2）工作原理分析,静态分析： ui = 0V T1、T2均不工作 uo = 0V,动态分析：设 ui 为正弦波,ui正半周,T1导通、T2截止 io= ic1 ;,ui负半周,T1截止、 T2导通 io=ic2,T1、T2都只在半个周期内工作,称为乙类放大。,第三章 生物医学常用放大器,乙类放大的特点： (1) 静态电流等于零； (2) 每管导通时间等于半个周期； (3) 降低了静态工作电流，但产生交越失真。,结论：两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电，在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个完整的波形。,第三章 生物医学常用放大器,最大输出功率,

25、直流电源提供的功率,（3）OCL功率放大器的效率计算,第三章 生物医学常用放大器,效率为,实际电路中存在饱和管压降UCES，且静态工作电流IC也不为零，因此输出效率一般小于78.5。,第三章 生物医学常用放大器,（1）电路结构特点：两管对称，单电源供电，输出加有大电容。,2.OTL互补对称功率放大器(Output TransformerLess),第三章 生物医学常用放大器,（2）OTL互补对称功率放大器工作分析 静态工作分析： 即ui0时，电路的基极偏置电压为零，故两管的静态参数UBE、IB和IC值均为零，负载电阻RL上无电流通过，两管的发射极电位UE0，工作点位于横轴的位置，属于乙类工作状

26、态。,第三章 生物医学常用放大器,动态工作分析： 输入信号正半周时，T1导通，T2截止，电源UCC通过T1和RL向电容C充电，使电容两端的电压为1/2UCC 。 负半周时，T1截止，T2导通，电容C通过T2向RL放电，这时相当于负电源的作用，在负载上得到一个完整的正弦波电压。,第三章 生物医学常用放大器,最大输出功率,直流电源提供的功率,（3）OTL功率放大器的效率计算,第三章 生物医学常用放大器,效率计算,实际电路中存在饱和管压降UCES，且静态工作电流IC也不为零，因此输出效率一般小于78.5。,第三章 生物医学常用放大器,3交越失真及消除,(1)交越失真产生 在乙类互补对称功率放大器中，

27、由于静态工作点的参数值均为零，无直流偏置，因此当输入信号电压低于三极管发射结的死区电压时，集电极电流均为零，输出电流或输出电压的波形在正、负半周过零处将会产生波形的失真,称为交越失真。,第三章 生物医学常用放大器,(2)交越失真消除 通常给三极管设置一定的直流偏置，使静态工作点尽可能避开死区特性，使T1、T2工作在甲乙类状态，这种功放称为甲乙类互补对称功率放大器。如图所示。,第三章 生物医学常用放大器,克服交越失真的措施：电路中增加 R2 、D1、D2、支路，有效避免交越失真。,原因: T1、T2两管发射结电位分别为二极管D1、 D2的正向导通压降，可以使两管处于微弱导通状态，避开死区电压，减

28、小非线性失真。,应用：甲乙类互补对称功率放大器既能减小交越失真，改善输出波形，又有较高的效率，在实际工作中得到了广泛的应用，尤其是在生物医学仪器中也有较多的应用。,第三章 生物医学常用放大器,三、集成功率放大器,随着半导体集成电路技术的发展，集成功率放大器的应用日益广泛。 特点：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。,集成功放LM386简介：,生产厂家：美国半导体器件公司,电路形式：OTL功放,第三章 生物医学常用放大器,脚为反相输入端，脚为同相输入端，脚为输出端，脚和脚分别接正电源和接地，脚和脚为电压增益设定端，使用时在脚和地之间接旁路电容，其值通常取为10F。,1. LM386引脚排列图,第三章 生物医学常用放大器,电路的外接元件很少，C1为输出电容，RW调节音量用，R和C2串联组成校正网络，以消除自激振荡。当脚和脚开路时，集成功率放大器的电压放大倍数约为20。,2.集成功放 LM386外部电路典型接法,第三章 生物医学常用放大器,