第一章医学电子仪器与基础电子电路名师编辑PPT课件.ppt

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1、第一章 医学电子仪器与基础电子电路l医学电子仪器的特点医学电子仪器的特点l医学电子仪器的分类医学电子仪器的分类l半导体器件的基础知识半导体器件的基础知识 l生物医学放大电路生物医学放大电路 l电子振荡电路电子振荡电路 l直流稳压电路直流稳压电路 l数字逻辑电路数字逻辑电路 差动放大器（直流放大器）差动放大器（直流放大器）各种生物电信号中包含了频率很低的成分，各种生物电信号中包含了频率很低的成分，还会遇到很多不变化或变化很慢的信号。这些还会遇到很多不变化或变化很慢的信号。这些直流或接近直流的慢变化信号不能用阻容耦合直流或接近直流的慢变化信号不能用阻容耦合放大器进行放大，需要频带从零开始的直流放放

2、大器进行放大，需要频带从零开始的直流放大器。直流放大器将面临两个问题：一是前级大器。直流放大器将面临两个问题：一是前级和后级的静态工作点互相影响，二是零点漂移和后级的静态工作点互相影响，二是零点漂移问题。前级引起的零点漂移电压，再被后级放问题。前级引起的零点漂移电压，再被后级放大，最后将掩盖正常的输出。而差动放大电路大，最后将掩盖正常的输出。而差动放大电路因其具有特殊的电路结构，能够有效地抑制零因其具有特殊的电路结构，能够有效地抑制零点漂移，被广泛应用于多级直接耦合放大电路点漂移，被广泛应用于多级直接耦合放大电路的前置级。的前置级。电路结构电路结构 基本差动放大电路由两基本差动放大电路由两个相

3、同的共发射极放大个相同的共发射极放大电路组成。电路完全对电路组成。电路完全对称，即晶体管特性相同，称，即晶体管特性相同，电路参数也相同。电路电路参数也相同。电路中，中，ui1、ui2为分别加到为分别加到两个输入端的输入信号两个输入端的输入信号电压，电压，uo与与uo1、uo2。都。都是输出信号电压，这些是输出信号电压，这些输入、输出电压信号可输入、输出电压信号可以是交流信号，也可以以是交流信号，也可以是直流信号。是直流信号。输入信号可以从两个输人端同时输输入信号可以从两个输人端同时输入（双端输入），也可以从一个输入（双端输入），也可以从一个输入端输入（单端输入），输出信号入端输入（单端输入），

4、输出信号可以从两个晶体管集电极之间取出可以从两个晶体管集电极之间取出（双端输出），也可以从一个晶体（双端输出），也可以从一个晶体管的集电极取出（单端输出），根管的集电极取出（单端输出），根据实际需要，可灵活选择各种输入据实际需要，可灵活选择各种输入输出方式。输出方式。抑制零点漂移抑制零点漂移 在静态时，由于电路的对称性，两个晶体管的在静态时，由于电路的对称性，两个晶体管的集电极电流相等，集电极电位也相等，所以输集电极电流相等，集电极电位也相等，所以输出电压出电压:uo=UC1-UC2=0。当温度升高时，两管的。当温度升高时，两管的集电极电流都增大，集电极电位都下降了，且集电极电流都增大，集电极

5、电位都下降了，且两边的变化量也相等，仍可保证两边的变化量也相等，仍可保证uo=0。因此虽。因此虽然针对每个晶体管而言都产生了漂移，但由于然针对每个晶体管而言都产生了漂移，但由于变化量的相等而互相抵消了，所以输出电压仍变化量的相等而互相抵消了，所以输出电压仍为零，这就完全抑制了零点漂移。这是该电路为零，这就完全抑制了零点漂移。这是该电路对称性带来的突出优点。对称性带来的突出优点。信号输入方式信号输入方式 (1)共模输入共模输入 输入两个电压大小相等、极性相同的输入信号输入两个电压大小相等、极性相同的输入信号称为共模输入。此时，因电路结构对称，两管称为共模输入。此时，因电路结构对称，两管集电极电位

6、的变化大小相等，极性相同，所以集电极电位的变化大小相等，极性相同，所以在双端输出电压在双端输出电压uo保持为零。可见，在电路完保持为零。可见，在电路完全对称的理想情况下，差动放大器在输入共模全对称的理想情况下，差动放大器在输入共模信号时不产生输出电压。这时的电压放大倍数信号时不产生输出电压。这时的电压放大倍数定义为定义为共模电压放大倍数共模电压放大倍数Ac，即，即Ac=Uo/Uic。理。理想情况下，差动放大电路的共模电压放大倍数想情况下，差动放大电路的共模电压放大倍数为零。但实际上电路完全对称是很难做到的，为零。但实际上电路完全对称是很难做到的，所以实际的差动放大电路的共模电压放大倍数所以实际

7、的差动放大电路的共模电压放大倍数是一个很小的数。是一个很小的数。差动放大电路因温度变化或电源波动，差动放大电路因温度变化或电源波动，引起两管集电极电位的变化，可看成引起两管集电极电位的变化，可看成是在输入端施加了等效的共模信号。是在输入端施加了等效的共模信号。因此，电路的对称性越好，抑制零漂因此，电路的对称性越好，抑制零漂的能力越强；抑制共模信号的能力越的能力越强；抑制共模信号的能力越强，共模电压放大倍数就越小。即差强，共模电压放大倍数就越小。即差动放大电路的共模电压放大倍数越小，动放大电路的共模电压放大倍数越小，其抑制零漂的能力就越强。其抑制零漂的能力就越强。(2)差模输入差模输入 输入两个

8、电压的大小相等、极性相反的输输入两个电压的大小相等、极性相反的输入信号称为差模输入。若设入信号称为差模输入。若设ui1=(1/2)uid，ui2=-(1/2)uid，则，则ui1-ui2=uid，此时，两晶体，此时，两晶体管电流和集电极电位的变化是相反的。在管电流和集电极电位的变化是相反的。在双端输出时，输出电压的变化量是每个管双端输出时，输出电压的变化量是每个管子集电极电位变化量的两倍。子集电极电位变化量的两倍。当输入差模当输入差模信号信号uid、输出电压、输出电压Uo时，两者之比即为差时，两者之比即为差模放大倍数，用模放大倍数，用Ad表示。设单管放大电路表示。设单管放大电路的电压放大倍数为

9、的电压放大倍数为A1，则：，则：上式表明，用两个晶体管组成的差动放上式表明，用两个晶体管组成的差动放大电路，双端输出时的电压放大倍数与大电路，双端输出时的电压放大倍数与单管共发射极放大电路的电压放大倍数单管共发射极放大电路的电压放大倍数相同。实际上这种电路是以牺牲一个管相同。实际上这种电路是以牺牲一个管子的放大作用为代价换取了对零漂的抑子的放大作用为代价换取了对零漂的抑制能力。制能力。11121)21(21AUAUAUUUUUUAididididooiod (3)任意信号输入任意信号输入 两个输入信号电压既非共模又非差模，两个输入信号电压既非共模又非差模，其大小和极性都是任意的，称为任意信其大

10、小和极性都是任意的，称为任意信号输入。针对这种信号通常是将它们分号输入。针对这种信号通常是将它们分解成既包含有差模信号分量，又包含有解成既包含有差模信号分量，又包含有共模信号分量的合成信号。通过差动放共模信号分量的合成信号。通过差动放大电路后，其共模信号分量受到抑制，大电路后，其共模信号分量受到抑制，而差模信号分量才能得到放大，即体现而差模信号分量才能得到放大，即体现了差动放大电路在输入信号有差别时，了差动放大电路在输入信号有差别时，才动作（放大）的特点。才动作（放大）的特点。共模抑制比共模抑制比 为了说明差动放大电路抑制共模信号和放大差为了说明差动放大电路抑制共模信号和放大差模信号的能力，常

11、用共模抑制比作为衡量指标，模信号的能力，常用共模抑制比作为衡量指标，其定义为：差模电压放大倍数其定义为：差模电压放大倍数Ad与共模电压放与共模电压放大倍数大倍数Ac的模值之比。记作的模值之比。记作CMRR，即：，即：共模抑制比越大，放大电路的性能就越好。共模抑制比越大，放大电路的性能就越好。cdAACMRR)(lg20dBAACMRRcd【小结小结】1.放大电路的实质是用小信号控制大信号，以放大电路的实质是用小信号控制大信号，以实现信号放大作用。对于放大电路的分析包实现信号放大作用。对于放大电路的分析包括静态分析和动态分析两个方面。静态分析括静态分析和动态分析两个方面。静态分析用来确定放大电路

12、的静态工作点。动态分析用来确定放大电路的静态工作点。动态分析通常采用估算法和图解法来分析放大电路的通常采用估算法和图解法来分析放大电路的工作状态、非线性失真，确定动态范围和最工作状态、非线性失真，确定动态范围和最佳工作点。佳工作点。2.共发射极电路具有较大的电压放大倍数、较共发射极电路具有较大的电压放大倍数、较小的输入电阻和较大的输出电阻。多级放大小的输入电阻和较大的输出电阻。多级放大电路由单级放大电路级联组成，级间常采用电路由单级放大电路级联组成，级间常采用阻容耦合和直接耦合的连接方式。阻容耦合和直接耦合的连接方式。【小结小结】3.直接耦合放大电路既可以放大交流信号，又直接耦合放大电路既可以

13、放大交流信号，又可以放大缓慢变化的信号。零点漂移是其突出可以放大缓慢变化的信号。零点漂移是其突出问题。差动放大电路用来放大差模信号，抑制问题。差动放大电路用来放大差模信号，抑制共模信号。共模信号。4.放大电路存在非线性失真（截止失真和饱和放大电路存在非线性失真（截止失真和饱和失真）等现象，可通过选择元件参数、设置合失真）等现象，可通过选择元件参数、设置合适的工作点、采用一些稳定工作点的措施、减适的工作点、采用一些稳定工作点的措施、减小输入信号等方法来削弱和消除。小输入信号等方法来削弱和消除。运算放大器运算放大器 传统的放大器是分立元件的。随着半导体制造传统的放大器是分立元件的。随着半导体制造技

14、术快速发展，技术快速发展，20世纪世纪60年代初出现了集成电年代初出现了集成电路放大器，所谓集成电路就是把电路中的所有路放大器，所谓集成电路就是把电路中的所有元器件及连接导线都制作在一块硅片上，构成元器件及连接导线都制作在一块硅片上，构成具有特定功能的电子电路，提高了电子设备的具有特定功能的电子电路，提高了电子设备的可靠性，重量减少，体积缩小，功耗降低。集可靠性，重量减少，体积缩小，功耗降低。集成电路有小规模成电路有小规模SSI、中规模、中规模MSI、大规模、大规模LSI和超大规模和超大规模VLSI之分，目前超大规模集成电之分，目前超大规模集成电路中每块芯片上制有上亿个元件，而芯片面积路中每块

15、芯片上制有上亿个元件，而芯片面积仅有几个平方毫米。仅有几个平方毫米。集成电路按功能来分，有数字集成集成电路按功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路。模拟集成电电路和模拟集成电路。模拟集成电路种类很多，有运算放大器、功率路种类很多，有运算放大器、功率放大器、模拟乘法器、模数和数模放大器、模拟乘法器、模数和数模转换器、稳压电源等。在模拟集成转换器、稳压电源等。在模拟集成电路中，集成电路运算放大器（简电路中，集成电路运算放大器（简称集成运放）是应用非常广泛的一称集成运放）是应用非常广泛的一种。种。1.集成运算放大器简介集成运算放大器简介 运算放大器简称为运放，集成运放是一种高运算放大器简称为运放，集

16、成运放是一种高电压放大倍数的多级直接耦合放大器，因最电压放大倍数的多级直接耦合放大器，因最早用于模拟计算机对输入信号进行模拟运算早用于模拟计算机对输入信号进行模拟运算而得名。随着半导体制造技术的不断进步，而得名。随着半导体制造技术的不断进步，集成运放已成为一种通用的高性能放大器。集成运放已成为一种通用的高性能放大器。具有性能稳定、可靠性高、寿命长、体积小、具有性能稳定、可靠性高、寿命长、体积小、重量轻、耗电量少等优点，广泛应用于自动重量轻、耗电量少等优点，广泛应用于自动控制、精密测量、通信、电源等电子技术应控制、精密测量、通信、电源等电子技术应用领域，可完成放大、振荡、调制、解调以用领域，可完成放大、振荡、调制、解调以及模拟信号的各种运算和脉冲信号的产生等。及模拟信号的各种运算和脉冲信号的产生等。2.集成运放的组成集成运放的组成 集成运放通常由输入放大级、中间电压放大级、集成运放通常由输入放大级、中间电压放大级、输出级以及偏置电路等四部分组成。输入级采输出级以及偏置电路等四部分组成。输入级采用差动放大电路，输入阻抗高、零点漂移小、用差动放大电路，输入阻抗高、零点漂移小、抗共模干扰能力强