生物医学信号放大器全解.ppt

第三章第三章 生物医学常用放大器生物医学常用放大器 从人体获得的生物医学信号，再经过滤从人体获得的生物医学信号，再经过滤波、放大、显示等一系列处理过程，才能为波、放大、显示等一系列处理过程，才能为医学研究和临床诊断提供可靠的客观依据。医学研究和临床诊断提供可靠的客观依据。本章在前面放大电路基本原理的基础上，本章在前面放大电路基本原理的基础上，首先介绍生物电信号特点、频谱及常用的几首先介绍生物电信号特点、频谱及常用的几种滤波电路，然后重点讨论负反馈放大器、种滤波电路，然后重点讨论负反馈放大器、直流放大器的工作原理及特点，最后简述功直流放大器的工作原理及特点，最后简述功率放大器。率放大器。第一节第一节 生物医学信号的特点及频谱生物医学信号的特点及频谱第二节第二节 常用滤波电路常用滤波电路第三节第三节 负反馈放大器负反馈放大器第四节第四节 直流放大器直流放大器第五节第五节 功率放大器功率放大器主要内容主要内容 第一节第一节 生物医学信号的特点及频谱生物医学信号的特点及频谱 携带生物信息的信号称为生物信号。其中携带生物信息的信号称为生物信号。其中生物电信号生物电信号是是由于人体内各种神经细胞自发地或在各种刺激下产生和由于人体内各种神经细胞自发地或在各种刺激下产生和传递的电脉冲，肌肉在进行机械活动时也伴有电活动所传递的电脉冲，肌肉在进行机械活动时也伴有电活动所产生的信号，如心电、脑电、肌电等。产生的信号，如心电、脑电、肌电等。非生物电信号非生物电信号是是由于人体各种非电活动产生的信号，如心音、血压波、由于人体各种非电活动产生的信号，如心音、血压波、呼吸、体温等。医学中还常通过在人体上施加一些物理呼吸、体温等。医学中还常通过在人体上施加一些物理因素的方法来获得生物信号，如各种阻抗图，它以数十因素的方法来获得生物信号，如各种阻抗图，它以数十千赫交流电通过人体的一定部位，获得阻抗或导纳变化千赫交流电通过人体的一定部位，获得阻抗或导纳变化的波形图；又如超声波诊断仪器，它向人体发射脉冲式的波形图；又如超声波诊断仪器，它向人体发射脉冲式的超声波，通过回波方式获得的生物信号。另外还有通的超声波，通过回波方式获得的生物信号。另外还有通过在体外检测人体样品的仪器、生理参数遥测仪器和放过在体外检测人体样品的仪器、生理参数遥测仪器和放射性探测仪器等获取的生物信号。上述诸多的生物信号射性探测仪器等获取的生物信号。上述诸多的生物信号被统称为生物医学信号。被统称为生物医学信号。生生物物电电信信号号的的频频带带主主要要在在低低频频和和超超低低频频范范围围内内，各各种种生生物物电电中中包包含含了了频频率率很很低低的的成成分分。在在第第二二章章中中介介绍绍的的阻阻容容耦耦合合多多级级放放大大器器很很难难通通过过这这种种频频率率的的信信号号，所所以以本本章章将将介介绍绍适适应应这这种种频率特点的直流放大器。频率特点的直流放大器。通通常常生生物物电电信信号号的的幅幅度度较较低低，只只有有毫毫伏伏级级甚甚至至微微伏伏级级，而而普普通通的的电电子子元元件件的的噪噪声声相相当当于于数数微微伏伏无无规规则则电电压压，为为了了使使生生物物电电信信号号不不被被噪噪声声淹淹没没，放放大大器器的的前前级级必必须须选选用用高高质质量量的的电电阻阻和和电电容容，低低噪噪声声的的场场效效应应管管，电电源源也要采取特殊稳定的措施。也要采取特殊稳定的措施。一一.生物电信号的特点及其放大器生物电信号的特点及其放大器 另外生物电信号的整个频带中要求另外生物电信号的整个频带中要求放大器的放大器的放大倍数稳定、均匀，在信号放大倍数稳定、均匀，在信号幅度范围内具有良好的线性幅度范围内具有良好的线性。对于生物。对于生物电放大器来讲，电压放大倍数一般都较电放大器来讲，电压放大倍数一般都较高。放大倍数越高，保持稳定就越困难。高。放大倍数越高，保持稳定就越困难。为了使输出波形不失真，必须采取一定为了使输出波形不失真，必须采取一定的电路技术，如的电路技术，如负反馈放大技术负反馈放大技术。生生物物体体的的阻阻抗抗很很高高，这这意意味味着着生生物物信信号号源源不不仅仅输输出出电电压压幅幅度度低低，而而且且提提供供电电流流的的能能力力也也很很差差，因因此此要要求求生生物物电电放放大大器器的的前前级级必必须须具具有有很很高高的的输输入入阻阻抗抗，以以防防止止生生物物电电信信号号的的衰衰减减，但但高高输输入入阻阻抗抗易易引引入入外外界界干干扰扰，特特别别是是市市电电50Hz的的干干扰扰，为为了了提提高高放放大大器器输输入入信信噪噪比比，常常常加入常加入50Hz陷波器。陷波器。生生物物电电信信号号的的信信噪噪比比较较低低，这这是是由由于于生生物物体体内内各各种种无无规规律律的的电电活活动动在在生生物物电电信信号号中中形形成成噪噪声声，有有些些生生物物电电信信号号被被其其他他更更强强的的电电活活动动所所淹淹没没，如如希希氏氏束束电电图图H波波，只只有有110V，比比心心电电信信号号弱弱得得多多，再再有有胎胎儿儿心心电电信信号号的的幅幅度度约约为为5V，比比母母体体心心电电信信号号弱弱很很多多，使使噪噪声声电电压压超超出出生生物物电电信信号号电电压压。当当无无用用信信号号掩掩盖盖了了有有用用信信号号时时，提提取取这这些些电电信信号号就需要借助于微弱信号检测技术。就需要借助于微弱信号检测技术。总总之之，为为适适应应生生物物医医学学信信号号频频率率较较低低且且频频带带较较宽宽、阻阻抗抗较较高高且且幅幅度度较较低低和和信信噪噪比比较较小小的的特特点点，必必须须选选用用低低截截止止频频率率、高高输输入入阻阻抗抗和和放放大大倍倍数数稳稳定的放大器。定的放大器。二二.生物医学信号的频谱生物医学信号的频谱 实际的信号波形是很复杂的，大多不是实际的信号波形是很复杂的，大多不是正弦波，但借助频谱分析的方法，这种非正正弦波，但借助频谱分析的方法，这种非正弦式周期波形可以被分解为数目足够多的，弦式周期波形可以被分解为数目足够多的，幅度不同、频率不同、初位相不同的正弦波。幅度不同、频率不同、初位相不同的正弦波。1.周期性波形的频谱周期性波形的频谱 非正弦式周期波形包含多种频率的正弦波成分。非正弦式周期波形包含多种频率的正弦波成分。用数学表达为：用数学表达为：式中当式中当n=1时，时，fn为为f1，是非正弦式周期，是非正弦式周期波的重复频率，称为波的重复频率，称为基频基频。此频率的正弦波称。此频率的正弦波称为为基波基波，其它正弦波的频率，其它正弦波的频率fn都是基频的整数都是基频的整数倍，称为倍，称为n倍频，相应的正弦波为倍频，相应的正弦波为n次次谐波谐波。以频率为横轴，振幅为纵轴，在横轴以频率为横轴，振幅为纵轴，在横轴上找到所有振幅不为零的正弦波的频率并上找到所有振幅不为零的正弦波的频率并引出垂线，其长度表示相应的振幅引出垂线，其长度表示相应的振幅an，这，这种图称为振幅频谱，也常简称为种图称为振幅频谱，也常简称为频谱频谱(spectrum)。而。而an2组成功率频谱，简称为组成功率频谱，简称为功率谱功率谱。各种频率成分的初位相声。组成。各种频率成分的初位相声。组成的位相谱，称为的位相谱，称为位相频谱位相频谱。基波和二次谐波的振幅基波和二次谐波的振幅相同，初位相为零。相同，初位相为零。基波和二次谐波的振幅基波和二次谐波的振幅相同，但二次谐波的初相同，但二次谐波的初位相为位相为/2/2。从下面的。从下面的位相频谱图中可以看到。位相频谱图中可以看到。2.脉冲波形的频谱脉冲波形的频谱 在电子学中把在时间上短促的波形称为脉冲在电子学中把在时间上短促的波形称为脉冲(impulse)。单个孤立的波形可以用一系列正弦波。单个孤立的波形可以用一系列正弦波的叠加来组成，频率可取连续值，且具有连续频谱。的叠加来组成，频率可取连续值，且具有连续频谱。连续频谱的波形叠加用积分式表达为：连续频谱的波形叠加用积分式表达为：式中式中Af和和f分别为振幅和位相频谱。分别为振幅和位相频谱。矩形脉冲的宽度为矩形脉冲的宽度为，高度为，高度为1，面积为，面积为1。波形的中。波形的中点在时间坐标点在时间坐标t的零点。的零点。频谱的横坐标按照频谱的横坐标按照f划分，频率以划分，频率以1/为单位，其振幅频谱为单位，其振幅频谱有正负振幅不断摆动，且延伸很远，范围与有正负振幅不断摆动，且延伸很远，范围与1/成正比。成正比。钟罩形波，钟罩形波，为波形下降到最大值的为波形下降到最大值的0.6065所需时间，所需时间，1/(2 f)为脉冲的高度，面积为为脉冲的高度，面积为1。它的频谱很平滑。它的频谱很平滑。由这两个脉冲的频谱图可见：脉冲愈由这两个脉冲的频谱图可见：脉冲愈宽，愈平滑，则频谱范围愈窄；相反，波宽，愈平滑，则频谱范围愈窄；相反，波形愈陡峭所含谐波愈多，频谱范围愈宽，形愈陡峭所含谐波愈多，频谱范围愈宽，特别是突然变化的脉冲波形更是如此。特别是突然变化的脉冲波形更是如此。如人体动脉压力波形比较平滑，根据如人体动脉压力波形比较平滑，根据频谱分析大约含有频谱分析大约含有10个谐波，而心电波形，个谐波，而心电波形，因它含有比较陡的因它含有比较陡的R波，故大约含有波，故大约含有3060个谐波。个谐波。高频脉冲：即振幅高频脉冲：即振幅随一个脉冲波形变化的随一个脉冲波形变化的高频振荡。图高频振荡。图(a)表示振表示振幅随一脉冲波形变化的幅随一脉冲波形变化的高频振荡，图高频振荡，图(b)是它的是它的频谱，可以从原先脉冲频谱，可以从原先脉冲的频谱得到。把原先脉的频谱得到。把原先脉冲的频谱对称地向负频冲的频谱对称地向负频率侧延伸，然后向右移率侧延伸，然后向右移动动f0的距离，就得到。的距离，就得到。可见，高频脉冲的可见，高频脉冲的频谱形状是由脉冲频谱频谱形状是由脉冲频谱决定的，高频脉冲的频决定的，高频脉冲的频谱位置是高频振荡频率谱位置是高频振荡频率来决定。来决定。在对生物体的一切生物医学信号进行分在对生物体的一切生物医学信号进行分析时，如心电分析、脑电分析和脉波分析，析时，如心电分析、脑电分析和脉波分析，常利用频谱分析手段，从中提取有用的生物常利用频谱分析手段，从中提取有用的生物信号作为临床诊断的依据。信号作为临床诊断的依据。第二节第二节 常用滤波电路常用滤波电路 根据生物医学信号特点的分析，根据生物医学信号特点的分析，以及生物电信号进入放大器前还要混以及生物电信号进入放大器前还要混入干扰的具体情况，一般在放大器等入干扰的具体情况，一般在放大器等处理装置前加有处理装置前加有滤波器滤波器。所谓滤波器就是一种使有用信号所谓滤波器就是一种使有用信号顺利通过，而使无用信号被消除或衰顺利通过，而使无用信号被消除或衰减的电子电路。在滤波电路中必须包减的电子电路。在滤波电路中必须包括与频率有关的元件如电容和电感。括与频率有关的元件如电容和电感。生物医学仪器中的滤波电路，通常由生物医学仪器中的滤波电路，通常由电容器和电阻器组合而成。电容器和电阻器组合而成。在滤波理论中，通常把能够通过的信在滤波理论中，通常把能够通过的信号频率范围定义为号频率范围定义为通带通带，而把消除或衰减，而把消除或衰减的信号频率范围定义为的信号频率范围定义为阻带阻带。通带和阻带。通带和阻带的界限频率，包括的界限频率，包括下限频率下限频率和和上限频率上限频率。具体电路有高通和低通滤波，带通和具体电路有高通和低通滤波，带通和带阻滤波，双带阻滤波，双T滤波和滤波和50Hz陷波等。陷波等。一一.高通滤波高通滤波 高高通通滤滤波波只只允允许许信信号号中中高高频频成成分分顺顺利利通通过过，且且衰衰减很小，而消除或减弱低频噪声。电压传输函数为：减很小，而消除或减弱低频噪声。电压传输函数为：式中，式中，URf是是uR中频率为中频率为f的交流成分的交流成分的有效值，的有效值，Uf是电路中频率为是电路中频率为f的总电压的的总电压的有效值。有效值。输出电压输出电压URf比总电压有效值比总电压有效值Uf超前一超前一位相位相R。滤波特点：滤波特点：(1)当频率很低时，当频率很低时，f 1，Tf=1，高频成分，高频成分能顺利通过，且位相也不改变。能顺利通过，且位相也不改变。(3)fL=1/2RC为下限频率，通频带为为下限频率，通频带为fL。(4)在阻容耦合放大器中，级间用在阻容耦合放大器中，级间用RC电路耦合电路耦合信号从电阻两端输出，同时也起到高通滤波信号从电阻两端输出，同时也起到高通滤波的作用。的作用。二二.低通滤波器低通滤波器 与与高高通通滤滤波波器器相相反反的的低低通通滤滤波波器器，只只允允许许信信号号中中的的低低频频成成分分顺顺利利通通过过，且且衰衰减减很很小小，进进而而达达到到消消除除或或减减弱弱混混在在信信号号中中的高频噪声的目的。其电路的电压传输函数为：的高频噪声的目的。其电路的电压传输函数为：式中，式中，UCf是是uC中频率为中频率为f的交流成分的的交流成分的有效值，有效值，Uf是电路中频率为是电路中频率为f的总电压的有效的总电压的有效值。值。输出电压输出电压UCf比总电压有效值比总电压有效值Uf超落后超落后一位相一位相c。滤波特点：滤波特点：(1)当频率很低时，当频率很低时，f/fH1，Tf=0，高频成分，高频成分被衰减，有低通的作用。被衰减，有低通的作用。(3)fH=1/2RC为上限频率，通频带为为上限频率，通频带为0fH。(4)共发射极电路中的电流放大系数共发射极电路中的电流放大系数随随频频率率变变化的关系式表明，晶体管也有低通化的关系式表明，晶体管也有低通滤滤波的波的作用。作用。三三.带通滤波带通滤波 带带通通滤滤波波器器就就是是只只允允许许通通过过一一个个频频带带中中的的信信号号成成分分，在在这这个个频频带带之之外外的的信信号号成成分分则则被被衰衰减减。其其电电路路由由高高通通滤滤波波和和低低通通滤滤波波共共同同组组合合而而成成，频频率率特特性性如如图图所所示示，fH-fL为为其其通通频频带带的范围。的范围。电电路路的的重重要要参参数数是是品品质质因因数数Q，定义为：定义为：(1)当当Q值低时，此电路的选频本领小，值低时，此电路的选频本领小，允许较宽的频带范围的生物医学信号通过，允许较宽的频带范围的生物医学信号通过，称称宽带滤波。宽带滤波。对于生物医学放大器中经常遇到数十对于生物医学放大器中经常遇到数十千赫以下的低频信号，电阻和电容就可以千赫以下的低频信号，电阻和电容就可以组成带通滤波器，最简单的低频宽带组成带通滤波器，最简单的低频宽带(低低Q值值)滤波器可由高通和低通滤波器共同组合滤波器可由高通和低通滤波器共同组合而成，其允许通过的频带由而成，其允许通过的频带由fL和和fH决定。决定。(2)当当Q值高时，此电路称为选频电路，值高时，此电路称为选频电路，其选频本领大，只允许较窄频率范围的信号其选频本领大，只允许较窄频率范围的信号通过，称通过，称窄带滤波窄带滤波。对于数兆赫以上高频信号，只有用电阻、对于数兆赫以上高频信号，只有用电阻、电容和电感结合起来才能组成高频窄带电容和电感结合起来才能组成高频窄带(高高Q值值)滤波器，而对低频生物医学信号只有电阻、滤波器，而对低频生物医学信号只有电阻、电容和放大器结合起来，才能组成低频窄带电容和放大器结合起来，才能组成低频窄带(高高Q值值)的滤波器。的滤波器。四四.带阻滤波带阻滤波 带阻滤波只选择性的衰减一个频带内的信号，带阻滤波只选择性的衰减一个频带内的信号，而在这个频带范围之外的信号成分都可无衰减的通而在这个频带范围之外的信号成分都可无衰减的通过。其电压传输系数如图过。其电压传输系数如图3-8所示。所示。高高Q值带阻滤波器，称值带阻滤波器，称选频电路，也称陷波器。选频电路，也称陷波器。双双T选频电路，由高通选频电路，由高通滤波和低通滤波组合而成的。滤波和低通滤波组合而成的。信号输入中的低频成分可以信号输入中的低频成分可以从上通道从上通道(既低通滤波器既低通滤波器)传传输，而高频成分可以从下通输，而高频成分可以从下通道道(即高通滤波器即高通滤波器)传输，而传输，而对于信号中的中间频率成分，对于信号中的中间频率成分，上下两通道均可以通过，其上下两通道均可以通过，其中通过低通滤波器传输出来中通过低通滤波器传输出来的电压位相落后，通过高通的电压位相落后，通过高通滤波器传输出来的电压位相滤波器传输出来的电压位相超前，它们再分别经过电阻超前，它们再分别经过电阻和电容两路传输出来的，电和电容两路传输出来的，电压位相差更大，压位相差更大，在某个适当的中间频率下，在某个适当的中间频率下，两路输出电压幅度相等，两路输出电压幅度相等，且位相相反，输出总电压且位相相反，输出总电压为零，起到了使这个中间为零，起到了使这个中间频率的信号被衰减的作用，频率的信号被衰减的作用，即有陷波作用。即有陷波作用。中间频率即陷波频率中间频率即陷波频率f0和和Q值，经理论值，经理论证明分别由上式给出。证明分别由上式给出。中间频率不受负载影响。当接上负载后，中间频率不受负载影响。当接上负载后，Q值一般比输出端开路时要低。另外，由于值一般比输出端开路时要低。另外，由于电阻和电容总有些误差，各个电阻和电容不电阻和电容总有些误差，各个电阻和电容不能严格保持图中标示的比值能严格保持图中标示的比值(或等值或等值)，在中，在中间频率处的传输系数将不等于零。因而品质间频率处的传输系数将不等于零。因而品质因数也低于理论值。因数也低于理论值。这个电路在生物医学放大器中，常将这个电路在生物医学放大器中，常将f0选为选为50Hz，用来滤掉，用来滤掉50Hz的市电干扰，称的市电干扰，称50Hz陷波器。陷波器。实际应用中希望实际应用中希望Q值很高，只对值很高，只对50Hz波波有陷波作用，但上面电路的品质因数太小，有陷波作用，但上面电路的品质因数太小，很难达到要求。只有与放大器组合起来，才很难达到要求。只有与放大器组合起来，才能提高选频能力，即达到高能提高选频能力，即达到高Q值，这种高值，这种高Q 值的滤波器称为有源滤波。以上滤波器均为值的滤波器称为有源滤波。以上滤波器均为无源滤波器。无源滤波器。第三节第三节 负反馈放大器负反馈放大器一一.反馈的基本概念和分类反馈的基本概念和分类 反馈反馈(feedback)就是把一个系统的全部或部就是把一个系统的全部或部分输出信号通过某种环节，送回到输入端。分输出信号通过某种环节，送回到输入端。在电子学中反馈一般是通过跨接在输入端和输在电子学中反馈一般是通过跨接在输入端和输出端之间的性能比较稳定的线性元件，如电阻来完出端之间的性能比较稳定的线性元件，如电阻来完成。成。将放大器的输出电压或输出电流的一部分或全将放大器的输出电压或输出电流的一部分或全部送回到输入端，与输入信号叠加后再送入放大器部送回到输入端，与输入信号叠加后再送入放大器中，如图中，如图3-10所示。所示。图中图中ui为输入信号，为输入信号，uo为输出信号，为输出信号，uf为为反馈信号，反馈信号，K0为放大器的放大倍数，为放大器的放大倍数，F为反馈为反馈系数系数(feedback coefficient)，它等于反馈信，它等于反馈信号与输出信号之比，即号与输出信号之比，即F=uf/uo，ui为为ui与与uf合成之后的实际输入信号。合成之后的实际输入信号。从反馈信号与原输入信号的相位关系来从反馈信号与原输入信号的相位关系来看：当反馈信号与原输入信号同相位时，即看：当反馈信号与原输入信号同相位时，即加强了输入信号，使放大倍数提高，这种反加强了输入信号，使放大倍数提高，这种反馈称为馈称为正反馈正反馈(positive feedback)。反之，。反之，当反馈信号与原信号反相位时，即减弱了输当反馈信号与原信号反相位时，即减弱了输入信号，称入信号，称负反馈负反馈(negative feedback)。正反馈虽然可以提高放大倍数，但失真正反馈虽然可以提高放大倍数，但失真度大，频带变窄，严重的甚至会引起振荡，度大，频带变窄，严重的甚至会引起振荡，使放大器无法工作，所以在放大器中一般不使放大器无法工作，所以在放大器中一般不采用正反馈，而在振荡器中则需要利用正反采用正反馈，而在振荡器中则需要利用正反馈。馈。关关于于负负反反馈馈的的方方式式，从从反反馈馈信信号号与与输输出出电电压压或或输输出出电电流流成成正正比比的的关关系系来来看看：当当反反馈馈信信号号与与输输出出电电压压的的大大小小成成正正比比时时，称称电电压压负负反反馈馈；与输出电流大小成正比时，称与输出电流大小成正比时，称电流负反馈电流负反馈。从从反反馈馈信信号号与与输输入入信信号号的的连连接接方方式式来来看看：当当反反馈馈信信号号与与输输入入信信号号是是串串联联在在一一起起控控制制输输入入信信号号电电压压大大小小的的，称称为为串串联联负负反反馈馈；与与输输入入信信号号是是并并联联在在一一起起控控制制输输入入信信号号电电流流大大小小的的，称称为为并并联联负负反反馈馈。归归纳纳起起来来，负负反反馈馈共共有有四四种种方方式式，即即电电流流串串联联负负反反馈馈、电电压压串串联联负负反反馈馈、电电压并联负反馈压并联负反馈、电流并联负反馈电流并联负反馈。二二.几种负反馈电路几种负反馈电路1.电流串联负反馈电流串联负反馈 在分压式电流负反馈偏置电路中，在分压式电流负反馈偏置电路中，RE对直流起负反馈作用，使直流工作点稳定。对直流起负反馈作用，使直流工作点稳定。若若RE上的电容上的电容CE去掉，则去掉，则RE对交流对交流也有负反馈作用。也有负反馈作用。当输入信号为正极性当输入信号为正极性时，基极电势升高，基极电时，基极电势升高，基极电流和射极电流都增加。由于流和射极电流都增加。由于射极电流通过射极电流通过RE，使射极，使射极电位升高，且射极电流基本电位升高，且射极电流基本等于输出的集电极电流，等于输出的集电极电流，所所以射极电阻以射极电阻RE上电压与输上电压与输出电流成正比，出电流成正比，射极电阻为射极电阻为反馈电阻，它上面的反馈电阻，它上面的反馈电反馈电压串联在基极信号的电压上压串联在基极信号的电压上，使晶体管基极所加电压变化使晶体管基极所加电压变化量减少，故量减少，故RE引起的反馈引起的反馈属于属于电流串联负反馈电流串联负反馈。RE 电阻电阻RE的阻值可认为比较稳定，即随温度变的阻值可认为比较稳定，即随温度变化较小，而晶体管化较小，而晶体管rbe和和的分散性很大，即使是同的分散性很大，即使是同一型号的同一批产品也有很大差别，其差别大约一型号的同一批产品也有很大差别，其差别大约在标准值的在标准值的0.72倍之间，且随温度而变化。除倍之间，且随温度而变化。除此之外，此之外，rbe还随电流变化，比较还随电流变化，比较gF和和g0可见，虽可见，虽然然gF小些。但更稳定和准确。小些。但更稳定和准确。跨导跨导无负反馈时的跨导无负反馈时的跨导 放大器接入负载电阻放大器接入负载电阻RL后，电压放大倍数后，电压放大倍数KF要要小，但小，但KF稳定性好，且可以通过电阻值精确计算。稳定性好，且可以通过电阻值精确计算。放大电路由于某种原因如晶体管参数变化造成放大电路由于某种原因如晶体管参数变化造成输出电流变化，当加入电流负反馈后，可发生如下输出电流变化，当加入电流负反馈后，可发生如下反馈过程：反馈过程：说明不管是串联还是并联负反馈，只要是说明不管是串联还是并联负反馈，只要是电电流负反馈都具有稳定输出电流的作用流负反馈都具有稳定输出电流的作用，即放大器具，即放大器具有恒流输出的特性，当放大器的输出电阻比负载电有恒流输出的特性，当放大器的输出电阻比负载电阻大得多时，即使负载变动时输出电流的变化也不阻大得多时，即使负载变动时输出电流的变化也不会很大，所以说会很大，所以说电流负反馈使放大器的输出电阻增电流负反馈使放大器的输出电阻增大大。输入电压为输入电压为ui、输入电流为、输入电流为ib时，输入时，输入电阻为电阻为ri由由rbe增加了增加了(+1)RE。即为。即为 ri=rbe(+1)RE 若考虑到信号源还向若考虑到信号源还向RB1、RB2供应电流，供应电流，放大器的总输入电阻应是放大器的总输入电阻应是 RB1/RB2/ri。没有没有RE时，放大器的总输人电阻只是时，放大器的总输人电阻只是RB1/RB2/rbe，可见，可见，串联负反馈显著地提串联负反馈显著地提高放大器的输入电阻。高放大器的输入电阻。2.电压串联负反馈电压串联负反馈 图示电路中，集电极成图示电路中，集电极成为交流信号的输入与输出的为交流信号的输入与输出的公共端。故该电路是共集电公共端。故该电路是共集电极放大电路。极放大电路。其中其中RE为反馈电阻，为反馈电阻，RE上的电压既是反馈电压也上的电压既是反馈电压也是该电路的全部输出电压是该电路的全部输出电压uo。在输入回路中，在输入回路中，RE上的反馈上的反馈电压与加在晶体管基极上的电压与加在晶体管基极上的输入信号电压是串联关系，输入信号电压是串联关系，它们相加的结果是使基极上它们相加的结果是使基极上输入电压的变化量相应减少，输入电压的变化量相应减少，故故RE引出的反馈属于引出的反馈属于电压串电压串联负反馈联负反馈。可见这个电路的电压放大倍数略小于可见这个电路的电压放大倍数略小于1，而且输出电，而且输出电压与输入电压位相相同，输出电压跟随着输入电压变化，压与输入电压位相相同，输出电压跟随着输入电压变化，所以电压串联负反馈电路称为所以电压串联负反馈电路称为射极跟随器射极跟随器，简称射跟器，简称射跟器(follower)。此电路虽然不能对输入信号电压进行放大，但输出此电路虽然不能对输入信号电压进行放大，但输出电流却远比基极输入电流大。其功率放大倍数为电流却远比基极输入电流大。其功率放大倍数为 Kp=p0/pi+1 故有故有放大电流和放大功率放大电流和放大功率的作用。的作用。当信号源内阻当信号源内阻Rs0的条件下，的条件下，加入电压加入电压负反馈负反馈可发生下列反馈过程：放大电路中由可发生下列反馈过程：放大电路中由于于RL的减小而使输出电压的减小而使输出电压Uo减小，减小，If=Uo/RF，所以，所以If也减小，反馈量减小使输入电流也减小，反馈量减小使输入电流Ib增增加，加，IC也相应增加，从而牵制了也相应增加，从而牵制了Uo的减小，的减小，使输出电压基本维持恒定使输出电压基本维持恒定。上面的反馈过程说明，不管是串联还是上面的反馈过程说明，不管是串联还是并联负反馈，只要是并联负反馈，只要是电压负反馈都具有稳电压负反馈都具有稳 定输出电压的作用定输出电压的作用，即有恒压输出的特性；，即有恒压输出的特性；在放大器的输出电阻很小的条件下，即使在放大器的输出电阻很小的条件下，即使 负载变化了，输出电压变化也不会太大，因负载变化了，输出电压变化也不会太大，因为此时放大器的输出电阻上压降很小，可见为此时放大器的输出电阻上压降很小，可见 射极跟随器的输出电阻很小，所以说射极跟随器的输出电阻很小，所以说电压负电压负反馈使放大器的输出电阻减小。反馈使放大器的输出电阻减小。根据放大器输入电阻定义，输入电阻根据放大器输入电阻定义，输入电阻ri为：为：若不考虑若不考虑RBl、RB2的分流作用，电路的输入电的分流作用，电路的输入电阻由上式决定，可见阻由上式决定，可见电压串联负反馈增加了输入电电压串联负反馈增加了输入电阻阻。电压串联负反馈有很高的输入电阻，对生物电压串联负反馈有很高的输入电阻，对生物医学信号的测量有重要意义。因为作为信号源的医学信号的测量有重要意义。因为作为信号源的生物体内阻很高，与生物体相连的放大器必须有生物体内阻很高，与生物体相连的放大器必须有高输入电阻，才能减少信号电压的损失，进而提高输入电阻，才能减少信号电压的损失，进而提高信噪比。高信噪比。由于由于电压串联负反馈有高输入电阻、低输出电压串联负反馈有高输入电阻、低输出电阻电阻，所以在电子电路中，经常作为阻抗转换装，所以在电子电路中，经常作为阻抗转换装置，相当于变压器作用，插在各级放大器中以及置，相当于变压器作用，插在各级放大器中以及信号源与放大器间的连接处。此外为了弥补晶体信号源与放大器间的连接处。此外为了弥补晶体管本身输入电阻低的不足，在医学上广泛应用源管本身输入电阻低的不足，在医学上广泛应用源极跟随器。极跟随器。但源跟器带负载能力仍较小，所以主要用于但源跟器带负载能力仍较小，所以主要用于放大器的前级，作为高内阻信号源和前级放大器放大器的前级，作为高内阻信号源和前级放大器的阻抗转换器。的阻抗转换器。3.电压并联负反馈电压并联负反馈 ui和和ii增加时，增加时，ib的增加导的增加导致致uo下降，下降，RF上电流上电流if由由A点点流出。可见，信号源流向基极流出。可见，信号源流向基极的电流总是被反馈电流分流出的电流总是被反馈电流分流出一部分，在一部分，在A点点if是与流向基是与流向基极的输入电流是并联关系。极的输入电流是并联关系。ib总是小于总是小于ii，另外，另外if大小基本与大小基本与输出电压大小成正比。故称输出电压大小成正比。故称RF引出的反馈属于引出的反馈属于电压并联负电压并联负反馈反馈。除此之外当除此之外当Rs=0时，时，ii与与if无关，反馈信号将不起作用；无关，反馈信号将不起作用；Rs0且很大时，则反馈影响且很大时，则反馈影响最大。最大。该电路中信号源提供的电流被反馈电流分流一该电路中信号源提供的电流被反馈电流分流一部分，所以基极电流实际发生的改变较小，输出电部分，所以基极电流实际发生的改变较小，输出电压较小，这使压较小，这使放大倍数降低放大倍数降低。电压并联负反馈与电。电压并联负反馈与电压串联负反馈一样都能压串联负反馈一样都能使放大器的输出电阻减小使放大器的输出电阻减小。同时，因有反馈支路的存在，信号源提供的电流是同时，因有反馈支路的存在，信号源提供的电流是ii=ibe+if，比没有负反馈时增加，比没有负反馈时增加If量，即信号源提供量，即信号源提供的电流变大，相当于放大器的输入电阻减小。的电流变大，相当于放大器的输入电阻减小。RF在直流状态时还具有稳定工作点作用，例在直流状态时还具有稳定工作点作用，例如温度升高时，如温度升高时，和和ICEO增大，即增大，即IC增大，这时增大，这时Uo下降，偏流减少，这就使下降，偏流减少，这就使IC回降，维持工作点稳定。回降，维持工作点稳定。三三.负反馈对放大器性能的改善负反馈对放大器性能的改善 放大器加进负反馈环节，虽然削弱了输放大器加进负反馈环节，虽然削弱了输入信号，使放大倍数减小了，但是却使放大入信号，使放大倍数减小了，但是却使放大电路的很多性能得到了改善。电路的很多性能得到了改善。使放大倍数更稳定，通频带加宽，放大使放大倍数更稳定，通频带加宽，放大器非线性失真变小，同时也改变了输入电阻器非线性失真变小，同时也改变了输入电阻和输出电阻。和输出电阻。1.放大倍数更稳定放大倍数更稳定 基本放大器的放大倍数为基本放大器的放大倍数为K0，包括负反馈，包括负反馈电路在内的整个负反馈放大器的放大倍数为电路在内的整个负反馈放大器的放大倍数为KF，表达示如下所示：，表达示如下所示：式中式中K0F的大小决定了的大小决定了KF值的大小，称值的大小，称K0F为为负反馈深度负反馈深度，它的数值越大，它的数值越大，KF就越小，就越小，即说明负反馈的作用就越强。即说明负反馈的作用就越强。在具有深度负反馈时，在具有深度负反馈时，K0F1时，时，KF=1/F，这说明在具有深度负反馈时，电压，这说明在具有深度负反馈时，电压放大倍数放大倍数KF完全由负反馈电路参数决定，而完全由负反馈电路参数决定，而与晶体管参数无关。由此排除了放大倍数受与晶体管参数无关。由此排除了放大倍数受晶体管参数的分散性、晶体管参数由于长期晶体管参数的分散性、晶体管参数由于长期使用时发生变化而造成的影响。使用时发生变化而造成的影响。因负反馈电路通常由电阻组成，所以使放因负反馈电路通常由电阻组成，所以使放大倍数稳定而且能精确计算和控制，基本不受大倍数稳定而且能精确计算和控制，基本不受外界的影响。外界的影响。如果某些原因使输出信号减小，则反馈信如果某些原因使输出信号减小，则反馈信号也减小，使净输入信号增大，通过负反馈对号也减小，使净输入信号增大，通过负反馈对输入端信号进行修正，由此牵制了输出信号的输入端信号进行修正，由此牵制了输出信号的减小，使放大器比较稳定的工作，其中电流负减小，使放大器比较稳定的工作，其中电流负反馈稳定输出电流，电压负反馈稳定输出电压。反馈稳定输出电流，电压负反馈稳定输出电压。2.通频带加宽通频带加宽 频带的限制是由于放大器在不同频率上放大频带的限制是由于放大器在不同频率上放大倍数发生变化而造成的。而在加入负反馈后，倍数发生变化而造成的。而在加入负反馈后，排排除了放大倍数与放大器中与频率有关因素的影响除了放大倍数与放大器中与频率有关因素的影响。这样可以使负反馈放大器的放大倍数在很宽的频这样可以使负反馈放大器的放大倍数在很宽的频率范围内都与频率无关。放大倍数在很宽的频率率范围内都与频率无关。放大倍数在很宽的频率范围内是稳定的，所以频带就展宽了。范围内是稳定的，所以频带就展宽了。3.非线性失真变小非线性失真变小 由于晶体管的非由于晶体管的非线性，如果工作点选线性，如果工作点选择不合适，或输入信择不合适，或输入信号太大，都会造成输号太大，都会造成输出信号失真。如果能出信号失真。如果能控制输入信号使其比控制输入信号使其比较小较小，失真的可能也，失真的可能也就小些，工作点的位就小些，工作点的位置选择范围也可适当置选择范围也可适当放宽一些。加进负反放宽一些。加进负反馈，使信号的电压或馈，使信号的电压或电流被反馈抵消一部电流被反馈抵消一部分，达到能控制输入分，达到能控制输入信号并使其比较小的信号并使其比较小的目的，所以可以减少目的，所以可以减少非线性失真。非线性失真。如上图所示，也可以解释为负如上图所示，也可以解释为负反馈技术是利用失真了的波形来改反馈技术是利用失真了的波形来改善波形的失真。善波形的失真。1.串联反馈使电路的输入电阻增大：串联反馈使电路的输入电阻增大：2.并联反馈使电路的输入电阻减小：并联反馈使电路的输入电阻减小：3.电压反馈使电路的输出电阻减小：电压反馈使电路的输出电阻减小：4.综合上面三种负反馈综合上面三种负反馈4.电流反馈使电路的输出电阻增加：电流反馈使电路的输出电阻增加：在实际应用中电阻要产生热噪声，从而降在实际应用中电阻要产生热噪声，从而降低了放大器的信噪比，所以反馈环节的电阻不低了放大器的信噪比，所以反馈环节的电阻不宜太大。宜太大。在放大电路中还存在着在线路图上看不出在放大电路中还存在着在线路图上看不出来的反馈环节，如电源寄生反馈，它主要是后来的反馈环节，如电源寄生反馈，它主要是后级的输出电流通过电源，由于电源总有些内阻，级的输出电流通过电源，由于电源总有些内阻，当后级的输出电流改变时，使电源电压也随之当后级的输出电流改变时，使电源电压也随之改变，这个改变量作用到前级上，导致反馈，改变，这个改变量作用到前级上，导致反馈，且常常成为正反馈。这种寄生反馈不仅影响放且常常成为正反馈。这种寄生反馈不仅影响放大器性能，而且当正反馈过大时，还可使放大大器性能，而且当正反馈过大时，还可使放大器变成振荡器，不能正常工作。器变成振荡器，不能正常工作。解决的方法可以采用：其一，另外加一个解决的方法可以采用：其一，另外加一个电源，以供给最后一级的输出电流。其二电源，以供给最后一级的输出电流。其二是增加低通滤波器，称之为是增加低通滤波器，称之为电源退耦电路电源退耦电路，滤掉电源电压波动。滤掉电源电压波动。在电路中除电源的寄生反馈以外，还在电路中除电源的寄生反馈以外，还有线路之间存在的分布电容，由于它的影有线路之间存在的分布电容，由于它的影响，高频信号都有位相的变化，使某些频响，高频信号都有位相的变化，使某些频率上的负反馈转变成正反馈，最后导致正率上的负反馈转变成正反馈，最后导致正反馈过大，放大器因发生高频振荡而不能反馈过大，放大器因发生高频振荡而不能正常工作。正常工作。负反馈类型的判别法：负反馈类型的判别法：(1)用瞬时极性法来判别正、负反馈；用瞬时极性法来判