医学电子仪器原理与技术课件

医学电子仪器原理与技术

第一章医学电子仪器与基础电子电路医学电子仪器的特点医学电子仪器的分类半导体器件的基础知识生物医学放大电路电子振荡电路直流稳压电路数字逻辑电路1.1医学电子仪器的特点高精度、高标准、高质量

多门类、多品种、多规格

新技术、新材料、新原理应用迅速1.2医学电子仪器的分类生物电检测仪器及非电生理参数检测仪器生物电检测仪器（心电、肌电等）非电生理参数检测仪器（体温、血压等）监护仪器（床旁、中心监护、手术监护）

临床检验分析仪器（血气、生化分析仪）生理功能辅助仪器（呼吸机、麻醉机）医用超声仪器

医学电子仪器的分类医用X线诊断装置X线计算机断层成像系统(XCT)磁共振成像系统(MRI)核医学诊断仪器及设备（ECT、PET）放射治疗装置（钴60、X-刀、γ-刀）医用光学仪器（医用内窥镜等）治疗与康复仪器1.3半导体器件的基础知识常温下的自然界中的物质按其导电性能可分为以下三类。导体：导电性能良好，如铜、银、铝等金属材料。绝缘体：几乎不导电，如玻璃、橡胶、陶瓷等材料。半导体：其导电性能介于导体和绝缘体之间，如硅、锗、砷化物和硫化物等材料。半导体导电能力在不同条件下差异很大。1.热敏性环境温度对半导体的导电能力影响很大。对纯净半导体来说，温度越高，导电能力就越强。基于这种特性，可制成各种温度敏感元件，如热敏电阻等。

2.光敏性一些半导体材料受到光照时，导电能力随之增强。利用这种特性可以制成各种光敏器件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光控晶闸管和光电池等。3.掺入微量杂质对半导体导电性能的影响如果在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将大大增强。而且掺入的杂质元素不同、浓度不同，半导体的导电性能可以人为地控制。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体两种。N型、P型半导体及PN结

在半导体中掺入少量5价元素磷（或砷、锑），可使半导体内的自由电子数量剧增。在这种半导体中自由电子占绝大多数，故称为多数载流子（多子），而空穴则为少数载流子（少子）。它主要依靠带负电的电子导电，所以叫电子型半导体，或N（Negative）型半导体。

在本征半导体中掺入少量3价元素硼（或铝、镓、铟），可使空穴的数量剧增。在这种半导体中，空穴是多数载流子，自由电子为少数载流子，它主要依靠带正电的空穴导电，所以叫空穴型半导体，或P（Positive）型半导体。

单一的N型或P型半导体只能起电阻作用。但若将这两种半导体以某种方式结合在一起，构成PN结，就可使半导体的导电性能受到控制，这样才能制成各种具有不同特性的半导体器件。利用特殊的掺杂工艺，可使一块半导体的一部分成为P型半导体（P区），而另一部分成为N型半导体（N区），则在两者交界处形成一个具有特殊性质的区域，称之为PN结。

PN结的形成过程中同时存在着多子的扩散运动和少子的漂移运动。当PN结处于动态平衡状态时，多子的扩散电流与少子的漂移电流大小相等且方向相反，通过PN结的电流为零，即PN结处于不导电状态。但如果在PN结两端加上电压，就会打破原来扩散和漂移的动态平衡状态，使PN结呈现单向导电的性能。单向导电性是PN结的基本特性。

（a）加正向电压（b）加反向电压图1.1PN结外加电压

当PN结外加正向电压时，PN结处于低电阻的导通状态，正向电流较大；当PN结外加反向电压时，PN结处于高电阻的截止状态，反向电流很小。这就是PN结的单向导电性。但当加于PN结的反向电压增大到一定数值时，反向电流可突然急剧增大，这种现象称为PN结的反向击穿。对应于电流开始剧增时的电压称为反向击穿电压。发生反向击穿时，只要反向电流的热效应不破坏PN结，当反向电压下降到击穿电压以下时，PN结的性能仍可恢复。半导体二极管

半导体二极管实际上就是一个PN结，由一个PN结加上接触电极、引线和管壳构成的。它的用途很广，如用作整流、高频检波和数字电路中的开关元件等。为适用于各种不同的用途，制成了各种类型的半导体二极管。但其工作原理都是基于PN结的单向导电性。二极管的电路符号为；1.二极管的伏安特性

(1)正向特性

死区电压正向导通压降UF

正向导通区(2)反向特性

反向截止区反向击穿反向击穿电压图1.2二极管伏安特性曲线2.二极管的应用

二极管的应用范围很广，利用其单向导电性，可组成整流、检波、限幅、钳位等电路。还可用它构成其他元件或电路的保护电路，以及在脉冲与数字电路中作为开关元件等。在作电路分析时，一般可将二极管视为理想元件，即认为其正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向压降忽略不计。反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。二极管导通与截止的判断

要判断二极管导通与截止，主要看二极管是处于正向偏置，还是反向偏置。可先将二极管除去，分别计算管子两极A点与B点电位，计算结果如是VA>VB，则二极管导通；如果VA<VB，则二极管截止。图中二极管2AP1截止。3.特殊二极管

(1)稳压二极管稳压管的伏安特性和普通二极管的伏安特性基本相似。只是稳压管的反向击穿区特性曲线很陡，当反向电压达到击穿电压时，反向电流突然增大，稳压管被反向击穿。在此状态下，反向电流在很大范围变化时，管子两端的电压基本保持不变，这就是稳压管的稳压特性。它的主要作用是稳压和限幅。(2)光电器件在信号传输和存储等环节中，光电子系统的应用日趋广泛。它的突出优点是：抗干扰能力强、传送信息大、传输损耗小、工作可靠。光信号与电信号的接口，需要一些特殊的光电器件，如发光二极管、光敏二极管及光电耦合器等。

发光二极管

是一种将电能直接转换成光能的固体器件，简称LED，和普通二极管相似，也是由一个PN结构成。常见的LED有红、绿、黄等颜色。LED的PN结封装在透明塑料管壳内，外形有方形、矩形和圆形等。发光二极管的驱动电压低、工作电流小，具有很强的抗振动和抗冲击能力、体积小、可靠性高、耗电省和寿命长等优点，广泛用于信号指示和传递中。

光敏二极管又称光电二极管。其管壳上有透明聚光窗，由于PN结的光敏特性，当有光线照射时，光敏二极管在一定的反向偏压范围内，其反向电流将随光射强度的增加而线性地增加，这时光敏二极管等效于一个恒流源。当无光照时，光敏二极管的伏安特性与普通二极管一样。光电耦合器把发光器件和光敏器件组装在一起，使用时将电信号送入输入测的发光器件，将电信号转换成光信号，由输出侧的光敏器件（又称受光器件）接收并再转换成电信号。由于输出与输入之间没有直接电气联系，信号传输是通过光耦合的，所以也称其为光电隔离器。光电耦合器的特点：发光器件与受光器件互不接触，绝缘电阻很高，并能承受2000V以上的高压，因此经常用来隔离强电和弱电系统；光电耦合器有极强的抗干扰能力；光电耦合器具有较高的信号传递速度。光电耦合器的用途很广，如作为信号隔离转换，脉冲系统的电平匹配，微机控制系统的输入、输出回路等。

晶体三极管

晶体三极管是电子线路中的核心器件，它的突出特点是在一定的外加电压条件下具有电流放大作用。1.晶体管的结构

晶体三极管简称为晶体管或三极管，其基本结构是由两个PN结构成，组成形式有NPN和PNP两种。

三极管内部有三个区：发射区、基区和集电区，其中基区较另两个区要薄得多。这三个区分别引出三个电极：发射极E、基极B和集电极C。两个PN结分别为发射区与基区之间的发射结和集电区与基区之间的集电结，集电结面积较发射结面积要大。NPN型和PNP型三极管表示符号的区别是发射极的箭头方向不同，它表示发射结加正向电压时的电流方向。三极管内部结构上的特点是：发射区掺杂浓度高，即多子浓度高；基区很薄且杂质浓度低；集电区体积大，掺杂浓度较低。这是晶体管具有电流放大作用的内因。2.电流分配和电流放大作用

电源VBB使发射结承受正向偏置电压，而电源VCC>VBB，使集电结承受反向偏置电压，这样可使三极管具有正常的电流放大作用。图1.6晶体管电流放大实验电路通过实验，可以得出以下关系：(1)IE=IC+IB，且IB与IE、IC相比小得很多，因而IE≈IC。

(2)IB虽然较小，但它对IC有控制作用，IC

随IB的改变而改变，两者之间有相应的比例关系，即：

前者称为静态电流放大系数，后者称为动态电流放大系数。它们反映了三极管的电流放大能力，或者说电流IB对IC的控制能力。3.特性曲线

三极管的特性曲线全面反映了三极管各极电压与电流之间的关系，是分析三极管各种电路的重要依据。

(1)输入特性曲线输入特性是指在三极管的集、射极间所加的电压UCE为常数时，基、射极间电路UBE与基极电流IB之间的关系。当UCE=0时，集电极和发射极间短路，输入特性相当于由集电结和发射结组成的两个二极管并联的正向特性，这时的电流IB是两个二极管的正向电流之和。当UCE=1V时，对应于相同的UBE，基极电流IB减小，曲线右移。当UCE继续增大时，其输入特性曲线与UCE=1V时的输入特性曲线几乎重合。由图可见，三极管的输入特性曲线与二极管的伏安特性曲线很相似，也存在一段死区。(2)输出特性曲线

输出特性曲线是指当三极管基极电流IB为常数时，集电极电流IC与集、射极间电压UCE间的关系。下图为3DG6的输出特性曲线。可见IB的取值不同，得到的输出特性曲线也不同，所以，三极管的输出特性曲线是一族曲线。根据三极管的工作状态不同，可将输出特性分为以下三个区域：截止区、放大区、饱和区。

a)截止区IB=0这条曲线以下的区域称为截止区。在此区域内，IC＝ICE≈0，集、射极间近似于断开状态。为了使三极管可靠截止，通常给发射结加上反向偏置电压，即UBE<0V。b)放大区放大区是特性曲线中近似平行于横轴的曲线族部分。当UCE超过一定数值后（1V左右），IC呈现恒流特性。在放大区，IC与IB成正比，即IC=βIB，随IB增加IC也增加，三极管具有电流放大作用。发射结为正向偏置，集电结为反向偏置。c)饱和区靠近输出特性纵坐标轴，曲线上升部分所对应的区域称为饱和区。IC随IB增大而增大，UCE则相应减小，当IC增加到接近于VCC/RC时，UCE近似为零，此后IB再增大，IC不再增大，即IC不再受IB的控制，三极管进入饱和状态。此时的IC称为集电极饱和电流，集、射极电压称为集、射极饱和电压，集、射极间相当于接通状态。在饱和状态下，发射结和集电结均为正向偏置。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，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放大器进行放大，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，能够有效地抑制零点漂移，被广泛应用于多级直接耦合放大电路的前置级。电路结构

基本差动放大电路由两个相同的共发射极放大电路组成。电路完全对称，即晶体管特性相同，电路参数也相同。电路中，ui1、ui2为分别加到两个输入端的输入信号电压，uo与uo1、uo2。都是输出信号电压，这些输入、输出电压信号可以是交流信号，也可以是直流信号。

输入信号可以从两个输人端同时输入（双端输入），也可以从一个输入端输入（单端输入），输出信号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输出方式。抑制零点漂移

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，所以输出电压:uo=UC1-UC2=0。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，且两边的变化量也相等，仍可保证uo=0。因此虽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。信号输入方式(1)共模输入

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uo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信号时不产生输出电压。这时的电压放大倍数定义为共模电压放大倍数Ac，即Ac=Uo/Uic。理想情况下，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，所以实际的差动放大电路的共模电压放大倍数是一个很小的数。

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。(2)差模输入

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ui1=(1/2)uid，ui2=-(1/2)uid，则ui1-ui2=uid，此时，两晶体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子集电极电位变化量的两倍。当输入差模信号uid、输出电压Uo时，两者之比即为差模放大倍数，用Ad表示。设单管放大电路的电压放大倍数为A1，则：

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子的放大作用为代价换取了对零漂的抑制能力。(3)任意信号输入

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，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，才动作（放大）的特点。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Ad与共模电压放大倍数Ac的模值之比。记作CMRR，即：共模抑制比越大，放大电路的性能就越好。

【小结】

1.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工作状态、非线性失真，确定动态范围和最佳工作点。2.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。

【小结】

3.直接耦合放大电路既可以放大交流信号，又可以放大缓慢变化的信号。零点漂移是其突出问题。差动放大电路用来放大差模信号，抑制共模信号。4.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。运算放大器

传统的放大器是分立元件的。随着半导体制造技术快速发展，20世纪60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，提高了电子设备的可靠性，重量减少，体积缩小，功耗降低。集成电路有小规模SSI、中规模MSI、大规模LSI和超大规模VLSI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，而芯片面积仅有几个平方毫米。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（简称集成运放）是应用非常广泛的一种。1.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。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；中间级一般由共发射极放大电路构成，主要用于高增益的电压放大；输出级与负载相接，输出阻抗低、带负载能力强、能够提供足够大的电压与电流；偏置电路的作用是给上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。集成运放的基本组成

在电路中，常用上图所示的电路符号表示运算放大器。它有两个输入端和一个输出端。反相输入端标“-”号，同相输入端标“+”号。输出电压与反相输入电压相位相反，与同相输入电压相位相同。此外还有两个端分别接正、负电源，有些集成运放还有调零端和相位补偿端。在电路中不画出。集成运放的主要性能指标

(1)输入失调电压UIO：对于理想集成运放，当输入电压为零时，输出电压应该为零。但由于制造工艺等原因，实际的集成运放在输入电压为零时，输出电压常不为零。为了使输出电压为零，需在输入端加一适当的直流补偿电压，这个输入电压叫做输入失调电压UIO，其值等于输入电压为零时，输出的电压折算到输入端的电压值。UIO一般为毫伏级，它的大小反映了差动输入级的对称程度，失调电压越大，集成运放的对称性越差。(2)输入失调电流IIO：输入失调电流是指输入信号为零时，两个输入端静态电流之差，一般为输入静态偏置电流的十分之一左右。IIO是由差动输入级两个晶体管的

值不一致所引起的。

(3)开环电压放大倍数Au：开环电压放大倍数是指集成运放在无外接反馈电路时的差模电压放大倍数。一般运放的Au都很大，一般为104～107。(4)输入阻抗ri和输出阻抗ro：

输入阻抗ri是指运放开环运用时，从两个输入端看进去的动态阻抗，它等于两个输入端之间的电压Ui变化与其引起的输入电流Ii的变化之比，ri越大越好。输出阻抗ro是指运放开环运用时，从输出端与地端看进去的动态阻抗。一般在几百欧姆之内。

(5)共模抑制比CMRR：

共模抑制比是指集成运放开环运用时，差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比。CMRR值越大，抗共模干扰能力越强，一般集成运放的CMRR都可达到80dB，高质量的集成运放可达l00dB以上。

3.集成运算放大器的理想模型

集成运放理想化的条件是：开环电压放大倍数Au→∞，输入阻抗ri→∞，输出阻抗ro→0，共模抑制比CMRR→∞，输入信号为零时，输出电压为0，且特性不随温度而变化。由此，理想运放在线性运用时有以下两个重要的结论：⑴运放两个输入端的电压近似相等，即U+≈U-：因为Au→∞，则Ui=U+-U-=Uo/Au=0，所以U+=U-。⑵两个输入端的输入电流近似为零，即Ii≈0。

因为ri→∞，所以有：I+=I-=0。反相放大器的闭环放大倍数

式中的负号表示输入与输出反相；同相放大器的闭环放大倍数

4.测量放大器

在生物信号检测中，由于生物医学信号幅度小、信号源内阻大、环境干扰引起的共模干扰大，因此获取信号要求用输入阻抗高和高共模抑制比的放大器，这种通用放大器就是测量放大器。它的基本作用是把微弱的生物电信号进行放大，使其可以进一步被处理、记录或显示。目前，通用测量放大器一般采用同相并联型差分放大器的电路形式，它具有输入阻抗高、共模抑制比大和增益可调等优点，因而广泛应用于生物医学信号检测中，目前心电图机前置放大器多采用此电路。

左图是同相并联型差分放大器即测量放大器的电路原理图，其第一级是由两个运放A1、A2组成，信号由两个同相输入差分放大器输入，因而有很高的输入阻抗。第二级是由A3构成的基本差分放大器。A3是电路具有高共模抑制比的主要环节，只要保证A3的外围电阻具有对称性，就可以使电路具有很高的共模抑制比。通过分析可以得出，该电路的放大倍数为：负反馈放大器1.负反馈的概念及分类

反馈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，与系统的输入信号相叠加，以改善系统性能的措施。从反馈信号与原输入信号的相位关系来看，当反馈信号与原信号相位相反时，减弱了输入信号，称负反馈。

使用了负反馈技术的放大电路称为负反馈放大器，如图1.35所示，图中Ui为输入信号，Uo为输出信号，Uf为反馈信号，A0为放大器的放大倍数，F为反馈系数，它等于反馈信号与输出信号之比，即F=Uf/Uo，Ui’为Ui与Uf合成之后的实际输入信号。+A0

关于负反馈的方式，从反馈信号与输出电压或输出电流成正比的关系来分：当反馈信号与输出电压的大小成正比时，称电压负反馈；与输出电流大小成正比时，称电流负反馈。从反馈信号与输入信号的连接方式来分：当反馈信号与输入信号是串联在一起控制输入信号电压大小的，称为串联负反馈；与输入信号是并联在一起控制输入信号电流大小的，称为并联负反馈。归纳起来，负反馈共有四种方式，即电流串联负反馈、电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流并联负反馈。2.负反馈对放大器性能的改善

放大器加入负反馈环节，虽然削弱了输入信号，减小了放大倍数，但却使放大电路的很多性能得到了改善。如使放大倍数更稳定，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和输出电阻。(1)放大倍数更稳定

基本放大器的放大倍数为Ao=Uo/Ui，而包括负反馈电路在内的整个负反馈放大器的放大倍数为AF，AF=Ao/(1+AoF)，式中AoF的大小决定了AF值的大小，被称为负反馈深度，它的数值越大，AF就越小，即说明负反馈的作用就越强。当AoF≥l时，AF≈l/F，称此电路具有深度负反馈，此时的电压放大倍数AF完全由负反馈电路参数决定。

环境温度变化、元器件老化、电流电压变化及负载的变化等原因都会使放大器的放大倍数发生变化。引入负反馈后，尤其是深度负反馈，放大器的闭环放大倍数只取决于反馈网络的参数而与基本放大的特性无关，而反馈网络又多由性能稳定的无源线性元件（如电阻、电容等）组成，因此，整个放大器的放大倍数就很稳定。

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，使放大器比较稳定地工作。其中电流负反馈稳定输出电流，电压负反馈稳定输出电压。(2)通频带加宽

放大器都有一定的频带宽度，超过这一频带范围，放大倍数将显著减小。引入负反馈，可以展宽放大器的频带。由式AF＝l/F可知，在深度负反馈下，AF不随A变化，而仅取决于F。若选用纯电阻元件构成的反馈网络，则F将是一个与频率无关的常数。显然，负反馈展宽了放大器的频带。(3)非线性失真变小

负反馈放大器还可减少非线性失真。这是因为信号电压或电流大部分都被负反馈抵消，实际输入基本放大器的电压或电流很小。非线性失真是在大信号输入时发生的，所以负反馈可以减少非线性失真。(4)改变放大器输入、输出电阻

负反馈的类型不同，对放大器的输入、输出电阻影响也不同。采用串联负反馈可以提高放大器的输入电阻。这是因为串联负反馈的反馈信号总是以电压的形式送回到输入端，它抵消了一部分输入电压而使净输入电压减小，则同样Ui下的输入电流ii减小，故放大器的输入电阻提高。

采用并联负反馈可以使输入电阻降低，因为并联负反馈的引入相当于在输入回路中增加了一条并联支路（如图），信号源所提供的输入电流为ii=ii’+if，显然比无反馈时(ii=ii’)增大了，因而使输入电阻降低。

负反馈使放大电路的输出电阻降低还是提高与电压反馈还是电流反馈有关。电压负反馈具有稳定输出电压的作用，电路近于恒压源，因此电压负反馈可使输出电阻降低。实际的集成运放输出电阻本来就很小（一般为几十欧至几百欧），采用电压负反馈后，可使其输出电阻降至小于1Ω，近似为零。因此引入电压负反馈的集成运放输出电压非常稳定，带负载能力很强。电流负反馈起到稳定输出电流的作用，电压近于恒流源，因此电流负反馈可使输出电阻提高。

生物医学放大器中常常存在着在线路图上看不出来的反馈环节，如电源寄生反馈，它主要是由于电源总有内阻，当后级的输出电流通过电源时，输出电流的改变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，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，还可使放大器变成振荡器而不能正常工作。

解决的方法可以采用：其一，再外加一个电源以供给最后一级的输出电流。其二，增加低通滤波器，即电源退耦电路，滤掉电源电压波动。还应指出，由于分布电容的影响，高频信号在反馈回路和基本放大电路中都有位相变化，负反馈在某些频率上可能转变为正反馈，此外，分布电容在高频时还可形成新的反馈回路。当正反馈过大时，放大器将发生高频振荡而不能正常工作。最后指出，由于反馈回路中的电阻产生热噪声，降低了放大器的噪声系数，所以反馈回路申的电阻值不宜过大。1.5电子振荡电路

在电子线路中，不加输入信号就有信号输出，这种现象称为自激振荡，实现振荡的电路称为振荡器。振荡器在医学中的应用非常广泛，如超声波诊断仪、各种电疗机等都应用了振荡器。利用振荡可以产生不同波形和不同频率的交变电压，常见的振荡器有两类，一类是正弦波振荡器，另一类是非正弦波振荡器。

振荡电路一般是放大电路加入正反馈后产生自激振荡。但放大电路要产生自激振荡，必须具备两个基本条件：⑴相位条件，指反馈信号与输入信号的相位相同；⑵幅度条件，指反馈信号应大于或等于输入信号。只有满足了以上两个基本条件，电路才形成自激振荡。

虽然具备了上述两个条件的正反馈放大器能够产生自激振荡，但是，如果同时有许多频率的信号而不是一种频率都满足这些条件，那么输出端获得的振荡信号将不是单一频率的正弦波，而是一个包含有多种频率信号合成的非正弦波或矩形波。为了获得单一频率的正弦波，振荡电路还必须具有选频作用，具有这种特性的电路称选频电路。多频率的信号通过选频电路后，只有某一频率才满足振荡的两个基本条件，从而得到单一频率的正弦波信号。

选频电路可以由R、C元件组成，也可用L、C元件组成，还可以由石英晶体组成。在实际的振荡电路中，选频电路可以作为一个独立的部分，也可以包含在反馈电路中或基本放大器之中。可见，从原理上讲，一个自激正弦波振荡器必须由以下三部分组成：基本放大器、正反馈电路、选频电路。

在振荡电路中含有微小的电扰动，如接通直流电源的一瞬间所产生的电脉冲及电路的热噪声等。由于振荡电路是一个闭合的正反馈系统，因此电扰动最终总要传送到基本放大器的输入端，成为最初的输入电压。这些电扰动一般都包含有丰富的频率成分，但在选频电路的作用下，只有某一频率的分量可以顺利的通过，其余频率成分均被抑制。自激振荡的建立被选出的频率分量放大后，经反馈电路又回送到基本放大器的输入端，形成一个循环。第一循环结束时第二循环即开始，如此循环往复继续下去。如果在每次循环中，被选频率分量的反馈电压与循环开始时的输入电压相比较，不仅相位相同，而且振幅也增大，那么经过上述放大-正反馈-再放大-再正反馈的循环过程，被选频率分量的振荡将迅速增大，这样自激振荡就建立起来了。

上述的振荡信号会不会无止境地增长下去呢？实际上是不会的，因为随着振荡的增长，反馈信号愈来愈大，必将导致晶体三极管进入非线性工作状态，放大器的放大倍数反而降低，使信号幅度有减少的趋势。因此正反馈使整个电路的振幅不断增长，而放大器的非线性则使之减小，最后达到一个相对稳定的幅度，从而获得等幅振荡。RC正弦波振荡电路

左图是运算放大器与RC串并联选频电路组成的文氏桥式振荡器。图中运放的输出电压Uo分两路反馈，一路加于RC串并联选频电路，其输出端A与运放的同相端(+)连接；另一路经电阻R3、R4分压，反馈到运放的反相端(-)。这种电路相当于一个电桥，其中串联RC、并联RC、R3、R4为四个桥臂，A、B为电桥的两个输出端点，运放的输出电压Uo为电桥的电源，故这种电路称为RC桥式振荡器。

在本电路中，R1、C1、R2、C2构成选频电路。当f=f0=1/2

RC时，RC电路构成一个正反馈支路，满足振荡的相位条件。这时RC选频电路的反馈系数最大，为1/3。因此，要维持振荡就要求运放的电压放大倍数大于3。R3、R4构成负反馈回路，适当调节R3、R4的值，使运算放大器的放大倍数大于3，就可以维持振荡。

为了获得不失真的正弦波及幅度稳定的输出，图中负反馈支路的R3采用热敏电阻，它是一种负温度系数的元件，阻值随温度的升高而变小。当振荡器输出幅度增加时，通过R3的电流必然增大，热敏电阻的功耗增加，温度升高，R3的阻值降低，负反馈增强，运放的放大倍数A降低，振荡减弱。从而限制了输出幅度的上升。反之，如果输出电压幅度减小，则热敏电阻的功耗降低，温度降低，R3的阻值增大，负反馈减弱，放大倍数上升，限制了输出幅度的下降。可见，R3用热敏电阻可起到自动稳定振荡幅度的作用。

RC桥式振荡器的振荡频率和输出幅度比较稳定，波形失真小，可产生几千赫到0.001Hz的低频正弦波信号，而且频率调节方便。RC选频电路的体积小、价格低，便于整个电路的微型化，因而在医学中有着广泛的应用。

LC正弦波振荡电路左图是变压器反馈式LC振荡电路。图中选频电路由LC电路构成，反馈电压由L2引出，再经CB送回到放大器的输入端，加于基极与发射极之间，三极管将L2反馈的信号放大，加于LC并联谐振回路。图中的黑点位置表示相位相同的端头，称为同名端，如果线圈L和L2的绕法及连接方式使L2的1端与集电极反相位，而集电极又与基极的信号反相位，使反馈信号与输入信号同相位，这就形成正反馈，从而满足了振荡的相位条件。

只要三极管有足够的放大量，线圈L2有一定的匝数，L和L2之间的耦合达到合适的程度，就可以满足振荡的幅度条件。当直流电源Ec接通时，在LC振荡回路内会产生一个电冲击，出现一个不大的信号，经过多次放大、正反馈、选频后，幅度将不断增大，在集电极负载LC回路上得到一个较大的输出信号电压，其频率由LC并联谐振回路的参数决定。最后受晶体三极管非线性的限制，幅度自动稳定在某一水平上，这时在负载LC回路上就有一等幅的正弦波振荡电压，经线圈L1输出。

采用变压器耦合方式，电路结构简单，容易起振。改变电容C的大小，可以方便地调节频率。但由于变压器分布参数的影响，振荡频率不能很高，输出波形也不理想。

LC正弦波振荡电路的谐振频率为：晶体正弦波振荡电路

前述的LC振荡器的品质因数Q值不可能做得很高，一般在200以下，即使采取各种措施，振荡频率的稳定度也很难超过10-5数量级。为了进一步提高振荡频率的稳定性，常用石英晶体代替LC振荡器中的LC并联谐振回路，构成石英晶体振荡器。在超声诊断仪、各种遥测和病房监护等医用设备中常采用这种振荡电路。石英晶体特性、符号及等效电路

天然石英是-种六棱柱晶体，其化学成分是SiO2，具有各向异性的物理性质。将这种石英晶体按一定的方位角切割下来的薄片称为晶片，在晶片的两个对应表面上喷涂金属作为极板，引出两根引线，就构成了石英谐振器，又称为石英晶体，左图是其结构示意图及等效电路。

若在石英晶体的某一轴向加一压力或拉力，则在受力面的两侧会出现异号电荷，这叫做晶体的正压电效应。相反，若在晶体上加一电场，晶体将会产生机械变形，晶体的厚薄会发生变化，这叫做晶体的逆压电效应。若在晶体的极板上加交变电压，就会产生机械振动，而机械振动又会产生交变电场。

在一般情况下，这种机械振动和交变电场的幅度都很小，但当外加交变电压的频率与晶体机械振动的固有频率相同时，两者的幅度达到最大，这种现象称为压电谐振，与LC回路的谐振十分相似。石英晶体的固有频率由晶片的切割方向和几何尺寸决定，每一块晶片都有它的固有频率且非常稳定，所以石英谐振器是一种非常理想的谐振回路。

石英晶体的电特性可以用其等效电路表示。图中Co是晶片金属极板之间构成的静电容，约为几皮法到几十皮法，等效电感L为l0-3～102H，等效电容C为l0-2～10-1pF，等效电阻R表示振动时的磨擦损耗，约为1～l0Ω。由于石英晶片的等效电感L很大，而C、R都很小，所以石英谐振回路的Q值（Q=ωoL/R）很大，可达104～106，这是普通的LC回路无法比拟的。因此，利用石英晶体组成振荡器，可获得很高的频率稳定性。

右图其电抗—频率特性曲线。当外加频率很低时，其电抗表现为电容性。随着频率的增加，容抗逐渐减小，当f=f1时，等效电路的LCR支路产生串联谐振，其阻抗仅表现为纯电阻R，通过串联支路的电流达到最大值。当f>f1时，该LCR串联支路呈现电感性。随着频率的增加，感抗急剧增大，当f=f2时，等效电路两支路的电抗大小相等，晶体产生并联谐振，其阻抗最大且呈纯电阻性。当频率f>f2时，电路又呈现电容性。因此石英晶体不但有串联谐振频率f1，而且还有并联谐振频率f2，且f1、f2很接近。

右图是并联型晶体振荡电路，它实际上是一个电容反馈式振荡器，晶体的总等效电感在振荡中起到自动稳定频率的作用，因而使得振荡器的频率稳定性很高；

右图是串联型晶体振荡电路，它由两级直接耦合的放大电路组成，只有频率接近于晶体串联谐振频率的波动才能满足振荡的条件，调节R可改变反馈量的大小，控制振荡的强度。由于晶体的固有频率很稳定，而且Q值又很高，所以这种晶体振荡器具有极高的频率稳定性。第一章医学电子仪器与基础电子电路医学电子仪器的特点医学电子仪器的分类半导体器件的基础知识生物医学放大电路电子振荡电路直流稳压电路数字逻辑电路1.4生物医学放大电路放大器的一般概念

放大器的主要功能是不失真地放大电信号。如雷达、电视、广播等接收到的信号都十分微弱，经放大器放大后才可显示、量测和做其他处理。又如自然界许多待测、待控的非电物理量，如温度、压力、位移、声音等，经换能器（也称传感器）变换为电量后也需要放大器放大。可以说，放大器是电子设备中必不可少的最常用、最基本的单元电路。

放大器一般由多级构成，前面若干级为前置电压放大器，用于放大信号电压，最后是功率放大器，用于得到较大的信号功率去驱动负载，如继电器、扬声器、仪表、电机等。放大器根据用途可分为电压放大器和功率放大器，根据工作频率放大器又可分为直流放大器和交流放大器。此外，根据电路结构还可分为分立元件放大器和集成放大器，目前，在直流及中、低频范围，集成放大器的应用最为广泛。

“放大”的实质是用微弱的（信号）能量控制较大的能量传输。由于集成电路的普遍应用，针对放大器而言，人们越来越关注它们的外部特性，即输入输出特性。各种放大器均可用双端口电路框图表示。图中，US、IS及RS表示需要放大的信号，Ui表示放大电路的输入电压，UO表示输出电压，RL表示放大器所驱动的负载电阻。为描述和评价放大器性能的优劣，引入了输入电阻、输出电阻、电压放大倍数、通频带一些动态性能指标。1.输入电阻ri

放大器对于信号源而言，相当于一个负载，在中频范围内可等效为一个电阻，即为输入电阻ri，ri=Ui/Ii。放大器工作时必须从信号源取电流，所取电流的大小表示了放大器对信号源的影响程度，当信号源内阻为Rs时，Rs与输入电阻形成分压器，即Ui/Us=ri/(Rs+ri)，显然，输入电阻ri越大，放大器从信号源所取电流越小，Ui越接近Us，因此输入电阻ri越大越好。

2.输出电阻ro放大器对负载而言，相当于一个信号源），根据等效电源定理，放大器的输出特性可等效为一个电压源，其内阻即为放大器的输出电阻，用ro表示。对于负载而言，放大器的输出电阻ro越小，负载电阻的变化对输出电压Uo的影响越小，放大器带负载能力越强，因而总希望ro越小越好。

3.电压放大倍数Au电压放大倍数Au是衡量放大器放大能力的一个指标，规定输出电压的变化量与输入电压的变化量之比为电压放大倍数Au，即Au=△Uo/△Ui，当放大电路电流电压为正弦量时，电压放大倍数就是输出电压相量与输入电压相量之比，即Au＝U0/Ui=Au∠φ。

综上所述：电压放大倍数Au是评价放大器放大能力的一个主要指标，为了减小信号内阻Rs对放大倍数的影响，应尽可能提高输入电阻。为减小负载电阻RL对放大倍数的影响，应尽可能减小输出电阻ro。因此对电压放大器的基本要求是要有足够高的电压放大倍数和尽可能不失真的输入信号的变化。生物医学信号的特点及对放大器要求

携带生物信息的信号称为生物信号。其中生物电信号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。非生物电信号是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被统称为生物医学信号。

生物电信号的频带主要在低频和超低频范围内，因此要求放大器有较低的频响，甚至是直流放大器。通常生物电信号的幅度较低，只有毫伏级甚至微伏级，而普通的电子元件的噪声相当于数微伏无规则电压，为了使生物电信号不被噪声淹没，放大器的前级必须选用高质量的电阻和电容，低噪声的场效应管，电源也要采取特殊稳定的措施。另外生物电信号的整个频带中要求放大器的放大倍数稳定、均匀，在信号幅度范围内具有良好的线性。对于生物电放大器来讲，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。为了使输出波形不失真，必须采取一定的电路技术，如负反馈放大技术。生物体的阻抗很高，这意味着生物信号源不仅输出电压幅度低，而且提供电流的能力也很差，因此要求生物电放大器的前级必须具有很高的输入阻抗，以防止生物电信号的衰减，但高输入阻抗易引入外界干扰，特别是市电50Hz的干扰。50Hz的市电干扰作为一种共模干扰，可以通过提高放大器的共模抑制比来抑制这种干扰。

生物电信号的信噪比较低，这是由于生物体内各种无规律的电活动在生物电信号中形成噪声，有些生物电信号被其他更强的电活动所淹没，如希氏束电图H波，只有1～10μV，比心电信号弱得多，再有胎儿心电信号的幅度约为5μV，比母体心电信号弱很多，使噪声电压超出生物电信号电压。当无用信号掩盖了有用信号时，提取这些电信号就需要借助于微弱信号检测技术，这部分内容可参看相关书籍。

总之，为适应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，必须选用低截止频率、高输入阻抗、高共模抑制比、高增益和放大倍数稳定的放大器。常用滤波电路

根据生物医学信号特点及生物电信号进入放大器前还要混入干扰的具体情况，一般在放大器等处理装置前加有滤波器。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。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。

在滤波理论中，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把消除或衰减的信号频率范围定义为阻带。通带和阻带的界限频率，包括下限频率和上限频率。1.高通滤波

高通滤波只允许信号中高频成分顺利通过，且衰减很小，而消除或减弱低频噪声。上图为典型电路及其频率响应特性，从中可以看出，频率很低的成分将被衰减，而高频成分可以顺利地通过，且相位也不改变。图中fL为下限频率，fH→∞。2.低通滤波器

与高通滤波器相反的低通滤波器，只允许信号中的低频成分顺利通过，且衰减很小，进而达到消除或减弱混在信号中的高频噪声的目的。图中fH为上限频率，fH=1/(2πRC)。3.带通滤波

带通滤波器就是只允许通过一个频带中的信号成分，而在这个频带之外的信号成分则被衰减。其电路由高通滤波和低通滤波共同组合而成，频率特性如图1.23所示，fH-fL为其通频带的范围。电路的重要参数是品质因数Q，定义为：

当Q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，称宽带滤波；当Q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通过，称窄带滤波。晶体管基本放大电路

用一个晶体三极管构成的放大电路称为单管放大电路，它是其它类型放大器和多级放大器的基本单元电路。晶体三极管构成放大电路时，根据其在交流信号电路中哪个电极作为输入和输出回路的公共端来区分有三种基本连接方式，即共射极放大电路、共集电极电路和共基极电路。

对放大电路的分析，有静态、动态之分。未加交流输入信号的放大电路中只有直流，处于静态。放大电路在交流输入信号作用下的工作状态称为动态。对于放大电路的静态分析，主要确定其静态直流值，即确定电路中的基极电流IB，集电极电流IC和集电极与发射极间的电压UCE。这组数据在晶体三极管的输入、输出特性上代表了一个点，称之静态工作点，用Q（IB、IC、UCE）表示。合适的静态工作点的设置是保证放大电路不失真放大信号的必要条件。

动态分析是在已设置了合适静态工作点的前提下，分析放大电路中交流信号传输变化的过程，及计算电压放大信号倍数AU、输入电阻ri、输出电阻ro等。1.共发射极放大电路的组成

集电极电源EC为放大电路提供能量，还保证晶体管的集电结反向偏置，集电极电阻RC将集电极电流的变化变换为电压的变化，实现电压放大。基极电源EB和基极电阻RB的作用是使发射结正向偏置，并提供大小适当的基极电流IB。耦合电容C1和C2的作用是“隔离直流，耦合交流”。电源EB通常可省去，将RB改接至EC，通过调整RB的阻值仍可保证发射结正偏，产生合适的IB。另外，在各种放大电路中，通常把公共端作为接“地”点，设其电位为零，作为一电路中其它各点电位的参考点。为简化电路的画法，通常不画电源EC的符号，而是在电源正极的一段标出它对地的电压值VCC和极性。2.静态分析

在无输入信号作用时放大电路的工作状态称为静态，此时电路中的电压、电流都是直流量，所谓静态分析，就是确定电路中的静态值IB、IC和UCE，可用放大电路的直流通路来分析计算。画直流通路时，只要把C1和C2视作开路，去掉信号源和负载，剩下的部分即为直流通路。有以下结果：3.动态分析

放大电路有输入信号时的工作状态称为动态，此时电路是在直流电源VCC和交流输入信号共同作用下工作，电路中的电压、电流除了包含直流电源产生的直流分量外，还包含交流输入信号ui产生的交流分量。动态分析就是分析交流信号的工作情况。动态分析的基本方法为微变等效电路法和图解法。

图解分析法是利用晶体管的特性曲线，通过作图的方法来分析放大电路的工作情况，可以直观地看出放大电路中各个电压电流在ui信号作用下的变化情况，下面以共发射极放大电路的组成为例，介绍图解法的分析过程(1)根据静态分析，作出直流负载线，求出静态工作点Q。(IC=VCC/RC-UCE/RC)(2)设输入信号电压ui=0.02sinωt(V)，经C1的耦合作用叠加在基极发射极之间，即uBE=UBE+ui=0.7+0.02sinωt(V)，根据其变化规律，在输入特性曲线上找到uBE的最大值0.72V和最小值0.68（即Q1和Q2两点），并画出iB的波形。在图中看出，uBE以Q点为中心上下移动，引起基极电流iB也按同样规律变化，即iB=40+20sinωt(μA)。(3)根据iB的变化规律，在输出特性上可以求出iC和uCE。它们既要符合晶体管的输出特性曲线，又要符合UCE=VCC-ICRC的直线关系。所以当iB变动时，直流负载线与输出特性的交点也会随之而变，即为Q1、Q2点，放大电路在负载线的Q1Q2段上工作，此段常称为动态工作范围。

由图可见，在ui正半周，iB先由40μA增大到60μA，工作点由Q点移到Q1点，相应地iC由2mA增大到最大值3mA，而uCE由6V减小到最小值3V；然后，iB由60μA减小到40μA，工作点由Q1回到Q2点，相应地iC由最大值3mA回到2mA，而uCE由最小值3V回到6V。在ui负半周，其变化规律恰好相反，工作点由Q点移到Q2点，再由Q2点回到Q点。这样，根据iB的波形就可画出iC和uCE的波形。

由于C2的隔直作用，uCE的直流UCE不能输出，只有交流分量能构成输出电压uo，注意uo与ui相位相反，这称为放大电路的反相作用，因而共发射极放大电路又叫反相电压放大器。4.非线性失真

对放大电路的一个基本要求就是尽可能不失真地传输信号。所谓失真，是指输出信号的波形不像输入信号的波形。引起失真的原因有许多，其中静态工作点设置不合适是一个主要原因，这使得放大电路的工作范围超出特性曲线的线性范围。这种失真通常称为非线性失真。

饱和失真

静态工作点Q点设置偏高，Q’进入饱和区，造成输出波形负半周出现底畸变，称为饱和失真；截止失真

静态工作点Q点设置偏低，则Q”进人截止区，造成输出波形的正半周出现畸变，称为截止失真。

要使放大电路不产生非线性失真，必须要有一个合适的静态工作点。将工作点设置在线性放大区的中部，可以避免非线性失真，限制输入信号的大小，也是避免非线性失真的一个办法。多级放大电路

在实际应用中，现场采集到的信号很微弱，一般为毫伏、微伏级，功率常在lmW以下，这就要求放大电路有足够高的电压放大倍数，把输入信号放大到需要的电压和电流，以推动负载工作。单个基本放大电路是不能满足这个要求的，需将若干个基本放大电路串接起来，组成多级放大电路。在多级放大电路中，每两个单个基本放大电路之间的连接称为级间耦合。耦合的方式通常有：阻容耦合、直接耦合。多级放大电路总的电压放大倍数是各级电压放大倍数的乘积，其输入电阻是第一级的输入电阻，输出电阻是最后一级的输出电阻。阻容耦合

阻容耦合就是指级与级之间通过电阻和电容进行连接。其耦合特点是：由于级间用电容连接，电容的“隔直通交”作用使得两级静态工作点彼此独立，互不影响。这对于电路的设计和计算较为方便，但这种方式对于直流信号或变化缓慢的信号的传送是不适合的。另外，大容量电容在集成电路中难于制造，因而在集成电路中这种耦合方式无法采用，因此阻容耦合方式在分立元件多级放大电路中应用较为广泛。直接耦合

直接耦合是指级与级之间不经过电抗元件而连接的方式。这种方式多用于传送直流信号和变化缓慢的信号。直接耦合的优点是低频特性好，易于集成；但它有两个突出的缺点，一是级与级之间的静态工作点互相影响，二是零点漂移的问题。

由图中可见，前级的集电极电位等于后级的基极电位，前级静态工作点的变化必然影响到后级的静态工作点，而后级的变化也同样会影响到前级，彼此之间不是独立的。因此在直接耦合放大电路中必须考虑前后级之间相互影响的问题，既要保证能够有效地传递信号，又要使每一级有合适的静态工作点。

在多级直接耦合放大电路中，当输入信号为零时，其输出电压本应保持不变，或亦为零。但实际上输出电压往往会偏离原来的起始点而上下波动，即输出端会有缓慢变化的电压产生，这种现象就为零点漂移，简称零漂。当放大电路有输入信号时，这种漂移与信号共存于放大电路中，当漂移量大到可以和信号量相比时，放大电路将产生严重的失真，无法正常工作。因此，抑制零点漂移是制作高质量放大电路需要解决的一个重要问题。引起零漂的原因有很多，其中主要是温度变化的影响，在多级放大电路中，任何一级都有零漂，其中，第一级零漂的影响最为严重。

抑制零漂的方法有多种，如将放大电路的第一级置于恒温槽中；在发射极串入电阻；采用热敏电阻进行温度补偿等。其中最理想的办法是用两个相同的放大电路相互补尝，组成一种新型电路：差动放大电路。第一章医学电子仪器与基础电子电路医学电子仪器的特点医学电子仪器的分类半导体器件的基础知识生物医学放大电路电子振荡电路直流稳压电路数字逻辑电路1.6直流稳压电路

许多电子仪器和设备都需要稳定的直流电源供电。除少数使用化学电源外，绝大多数是由交流电网供电，这就需要将交流电转换为稳定的直流电。直流稳压电源就是完成这种转换的装置，它一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成（如图1.41）。图中各部分的作用如下：(1)电源变压器：将交流电源电压变换为符合整流需要的交流电压；(2)整流电路：将交流电压变换为单向脉动直流电压；(3)滤波电路：滤掉整流电压中的交流成分，输出平滑的直流电压；(4)稳压电路：在交流电源电压波动或负载变动时，保证输出稳定的电压。整流电路

整流滤波是利用二极管的单向导电性，把交流电转换成脉动直流电的过程。常见的整流电路有半波、全波和桥式整流等几种形式。1.半波整流电路

上图是半波整流电路及其波形，它把二极管D和负载RL串联起来接到变压器B的次级线圈AB两端。在交流电的正半周时，A点电势比B点电势高，二极管D受正向电压作用而导通，RL上有电流通过；在交流电压的负半周，A点电势低于B点电势，二极管受反向电压的作用而截止，电路中没有电流。这种电路只利用电源电压的半个周期，因而取名为半波整流。

半波整流电路简单，但输出直流电压的平均值不到电源电压有效值的一半，整流效率低，而且不平稳，交流成分比较大，因而并不适用于医学检测仪器中。2.全波整流电路

右图是全波整流电路。它实际上是由两个半波整流电路组成，这样就可以完全利用交流电的每一个半周，故称为全波整流。变压器B的次级线圈具有中心抽头“O”，A、B两点电压大小相等，位相差为180。其整流原理是在电源电压的正、负半周时，二极管Dl、D2轮流导通，负载RL上总有同一方向的电流通过。

这种电路的输出电压比较高，电流比较大，而脉动程度却减少了。它的缺点是变压器次级线圈的匝数要增加一倍，两个次级线圈中，只有半个周期有电流通过，对变压器的利用率不高，而且二极管承受的反向电压仍较大。3.桥式整流电路

上图是桥式整流电路，由四个晶体二极管连接成电桥形式，故称为桥式整流。变压器次级输出电压为U2，当它为正半周时，A点电势比B点电势高，二极管D1、D3导通，D2、D4反向截止，导电回路为A、D1、RL、D3、B；U2为负半周时，B点电势比A点电势高，二极管D2、D4正向导通，D1、D3反向截止，导电回路为B、D2、RL、D4、A。在一个周期内D1、D3和D2、D4轮流导通和截止，而流经负载的电流方向不变。桥式整流的优点是整流效率高，输出脉动程度小，二极管承受反向电压只有全波整流的一半，故得到广泛的应用。它的缺点是二极管的数量比全波整流多两个，电路比较复杂。滤波电路

整流电路可以把交流电转变为单—方向的脉动电压和电流，但不论何种整流电路，都存在输出电压的脉动程度较大，不能满足电子仪器的供电要求，因此常在整流电路的后面加一级滤波电路，其作用是将脉动电流中的交流成分滤掉，获得平滑的直流输出。常用滤波电路有电容滤波、电感电容滤波及有源滤波等。1.电容滤波

上图是带有电容滤波的半波整流电路，电容C与负载并联。

当U2为正半周时，二极管D导通，电流向负载供电，同时对电容C充电。在充电期间，电容C上的电压Uc逐渐增大，直到接近于交流电压U2的最大值，此后U2下降，由于此时Uc＞U2，二极管截止，电容C向RL放电，直到二极管又导通时，电容器又充电，这样由于电容器的充放电作用，使在一个周期内总有电流供给负载RL。图(b)是这种电路的输出波形图。从图中可以看到，加上电容C以后，输出电压的脉动程度要平滑得多，这就是电容的滤波作用。

电容器放电的快慢取决于RL与C的乘积，即时间常数τ=RL×C，τ愈大，放电时间长，输出电压就较平滑。如果是采用桥式或全波整流的电容滤波电路，其滤波原理与半波整流电容滤波相同，输出波形见上图。它的特点是在交流电的正、负半周，整流电流对电容C充电两次，这样电容器向负载RL放电时间缩短了，因此输出电流就更平稳。

还应指出，当整流电路加入电容滤波后，二极管导通时间很短，而导通电流—方面要对电容充电以补充电容放电时所损耗的电荷，同时又要向负载RL供电，所以通过二极管的电流脉冲很大(见图中输出波形加竖线的部分)，这点在选择二极管的最大整流电流时应加以考虑。电容滤波的优点是电路简单，输出电压的脉动程度大大减小。但当负载较大时，放电加快，输出电压的脉动程度仍然较大。如果增加电容量，则充电电流太大，容易损坏二极管，故这种电路一般只适用于要求输出电压较高，负载电流小并且变化也较小的场合。2.电感电容滤波

为进一步减小输出电压和电流的脉动程度，在滤波电容前加入一个电感元件L，组成电感电容滤波电路。它利用电感L对交流电的阻抗很大，而对直流电阻抗几乎等于零的特点，使整流电流中的交流成分在很大的感抗和很小的容抗上分压，主要降落在L上，而直流成分则很容易通过电感，进一步降低交流成分的含量，得到较好的滤波效果，在负载上可得到平稳的直流输出。

这种滤波电路的优点是当负载电流变化较大时，仍可得到较平稳的直流输出，且没有电流脉冲，对整流元件的最大电流比电容滤波电路的要求低。具有LC滤波的整流电路适用于电流较大、要求输出电压脉动很小的场合。

在负载电流不大的地方，LC滤波电路中的电感往往用电阻代替，成为RC滤波电路。RC电路的滤波效果不及LC电路，但电阻体积小、价格低是其主要优点。在医疗电子仪器中为了避免各部分电路通过电源而发生相互影响，尤其是避免微弱生物电的前级放大器受到放大后的强信号的影响，即使在电源电压相当平稳的情况下，仪器敏感部分的电源也常常就近增加一级RC滤波电路，以消除仪器其他电路通过电源对它的影响。这样使用的滤波电路通常称为退耦电路，因为它的作用是消除各部分电路之间的耦合。稳压电路

整流滤波电路都不能保证输出稳定的直流电压，其原因主要有两个方面：一是交流电网的电压不稳定，引起输出电压发生变化；二是整流滤波电路存在内阻，当负载变化引起电流变化时，内阻上产生的压降会随之变化，使输出的直流电压不稳定。因此，为了得到稳定的输出直流电压，必须在整流滤波电路之后加稳压电路，以保证当电网电压波动或负载电流变化时，输出的电压能维持相对稳定。下面主要介绍由硅稳压二极管、晶体三极管构成的稳压电路及目前常用的集成稳压器。1.稳压管稳压电路

左图是一种稳压管稳压电路，由限流电阻R和硅稳压二极管Dz组成，RL是负载电阻，与稳压管并联。

当交流电网电压升高而引起稳压电路的输入电压Ui升高时，将引起硅稳压管Dz的端电压Uz，即输出电压Uo升高。由稳压二极管的伏安特性可知，Uz稍一升高，则通过稳压管的电流Iz显著增大，限流电阻R上的电压UR=(Iz+Io)×R增加，而Uo=Ui-UR，UR的增加补偿了输入电压Ui的变化，从而使输出电压Uo基本保持不变。反之，当Ui下降时，稳压过程与上述相反，电路也能基本维持输出电压不变。

若输入电压Ui不变，当负载电阻减小时，电流Io增大，R上的压降升高，使得Uo下降。但Uo稍有下降，Iz将显著减小，Iz减小的部分几乎和Io增大的部分相等，结果限流电阻R上流过的总电流和电压降不变，从而使输出电压Uo基本恒定。反之亦然。

由此可见，在稳压管稳压电路中，稳压管的电流调节作用和限流电阻的电压调节作用是稳压的关键，即利用稳压管端电压的微小变化引起较大电流的变化，再通过R的电压调节作用，保证输出电压的恒定。由于稳压管与负载RL相并联，故该电路又称为并联型稳压电路。这种电路结构简单，但输出电压不可调，稳定精度不高，所以只用在稳压要求不高和负载电流小的电路中。2.晶体管串联稳压电路

由于稳压管稳压电路的稳压效果不够理想，且只能用于负载电流较小的场合，因此下面介绍串联型晶体管稳压电路，其电路原理是集成稳压电源内部电路的基础。

左图是一种简单串联型稳压电路。图(a)是一个可变电阻R和负载电阻RL的串联电路。当输入电压Ui或输出电流Io发生变化而引起输出电压Uo变化时，如果可变电阻R的阻值也相应地自动改变，保持输出电压稳定，这样就构成了串联型稳压电路。由于晶体管的基极电流对集电极电流具有控制作用，使得其集电极与发射极之间具有一个可变电阻的性质，因此用它作调整电阻，可以实现稳压目的。左图是一个简单的串联型稳压电路，用三极管代替可变电阻R作为调整元件，故叫做调整管。电阻R和稳压管Dz组成简单的稳压管稳压电路，接到调整管的基极，使基极电压Ub=Uz保持恒定，此电压称为基准电压。其电压稳定过程如下：当电网电压波动或负载电流变化引起输出电压Uo升高时，由于调整管基极电位Ub是恒定的，将引起调整管基-射极之间的电压Ube下降。由三极管特性曲线可知，其基极电流Ib减小，集-射极电压Uce上升，而Uo=Ui-Uce，使输出电压降到原值。

由于三极管的发射极电流比稳压管的工作电流大得多，所以这种稳压电路可提供较大的负载电流。该电路的输出电压Uo=Uz-Ube，Uo的值取决于稳压管的稳定电压Uz。如果要改变输出电压，可更换稳压管。另外，用输出电压直接去控制调整管的基极电流，控制