1、3004202341陳露詩腦電放大器設計報告（直流供電） 指導老師： 李剛教授 精密儀器與光電子工程學院 04級生物醫學工程二班陳露詩 300420234120061226腦電放大器（電池供電）設計報告3004202341陳露詩2007一、設計目的與意義） 腦電概述腦電信號是與反映大腦神經活動有關的生物電位，由皮層內大量神經元突出后電位同步總和所形成的，是許多神經元共同活動的結果。對它進行檢測可用于神經診斷和認知生理心理學研究，以及康復領域。現在已明確，在頭皮上引導的腦電波振幅，在正常情況下，從波峰到波底為5200µV（而從大腦皮層上引導的電位變化可達到1mV）其頻率范圍從小于1Hz

2、到100Hz，波形因不同的腦部位置而異，并與覺醒和睡眠的水平相關，且存在很大的個體差異，也就是說腦電波在不同的正常人中也存在著不同的表現。因而腦電信號放大和采集的實現仍是一個難題。而實現腦電信號放大的主要困難在于高增益放大的同時去除各種干擾。通過電極和導線從頭皮上或者從大腦皮層上直接將大腦產生的節律性電位變化，傳送至特制的記錄裝置腦電圖機上記錄下來，形成動態曲線，這就是通常稱為的腦電圖（electroencephalogram,EEG），腦電圖反應了大腦皮質的自發腦電活動。走紙傳動時標筆聲光刺激器時標信號發生EEG記錄ECG放大器輸入盒導聯選擇2號EEG放大器3號EEG放大器8號EEG放大器2

3、號EEG放大器校正信 號前置放 大控制網 絡干擾抑 制增益調 節主放大 器EEG記錄圖11腦電機框圖由于腦電信號非常微弱，通常在µV量級，所以腦電放大器的前置放大器應有較高的要求，應由較低的輸入噪聲（3Vp-p）、高增益（50010000倍）、高共模抑制比（應大于80dB）、低漂移和高輸入阻抗（10M）等要求。通常腦電前置放大器采用三運算放大器電路，采用低噪聲場效應管作為輸入級，用同向輸入方式，以確保高阻抗和低噪聲。腦電圖機的主放大器包括后級放大及功率放大，以獲得足夠的功率輸出。為了實現腦電信號的放大以便于觀測，我設計的腦電放大器重點在設計上圖虛線框里的部分。）腦電信號分析腦電圖是一

4、種隨機性的生理信號，其規律性遠不如心電圖那樣明確，通常將腦電圖的振幅和頻率成分作為腦電診斷的主要依據，而頻率成分顯得尤為重要。因為大腦活動的程度與腦電圖節律的平均頻率之間有密切的關系。一般將正常腦電活動相關的腦電波頻率范圍劃分為五種類型，頻率由高到低，依次為波、波、波、波、波（表2-1）表2-1 腦電圖中各波的頻率范圍和幅值類型頻率范圍峰值波波波波波813Hz1330Hz48 Hz0.54 Hz31 Hz520µV <20µV<100µV<100µV<2µV）設計目的實現對正常人腦電信號的放大，查明腦電圖中各類波的比例，

5、并觀察比較不同頻率的腦電信號的波形、強弱特點。二、系統設計電極導聯與信號輸入無源高低通濾波信號輸出后級放大50HZ陷波低通濾波前置放大穩壓源設計模塊前置放大器采用低噪聲、低漂移的精密儀表放大器AD620作為主放大器，前級采用兩個單運放OP07運放放大器組成并聯型差動放大器。在運算放大器為理想的情況下，并聯型差動放大器的輸入阻抗為無窮大，共模抑制比也為無窮大。阻容耦合電路放在由并聯型差動放大器構成的前級放大器和由儀器放大器構成的后級放大器之間，這樣，可為后級儀器放大器提高增益，進而為提高電路的共模抑制比提供了條件。同時，由于前置放大器的輸出阻抗很低，還采用了共模驅動技術，避免了阻容耦合電路中的阻

6、容元件參數不對稱導致的共模干擾轉換成差模干擾的情況發生。50HZ工頻陷波采用了可調Q值的雙T型網絡，以實現高精度的陷波。后級放大采用兩個反相器級聯。為了有效抑制干擾，還采用了多芯屏避電纜。前級放大倍數為500倍，由并聯型差分輸入電路與前置主放大共同作用實現。其中信號經過并聯差分放大5倍，然后再經過AD620放大100倍。后級放大20倍，由兩個反相器串聯實現。由于我的設計目的是為了觀察腦電信號波形的差異，為了盡量減少不必要頻率的信號對觀測造成干擾，即為了盡量抑制噪聲，我選擇將信號頻率帶寬設為0.5HZ35HZ。在調試電路中，先經過儀表放大器對來自頭皮電極的腦電信號進行前置放大。然后，對放大過的信

7、號進行低通濾波及補償、50HZ工頻陷波和后級放大調整后進入示波器進行觀察。三、單元電路的設計1.無源高低通濾波與前置放大參數選擇l 無源高通濾波(阻容耦合電路)：截止頻率fc=HZ：參數選擇：R6=R7=470k，C1=C2=1Fl 前級放大增益設置：前置放大電路的增益主要有兩部分組成，第一部分是差分放大電路，第二部分是儀用放大器。由于電極噪聲的存在，差分放大電路的放大倍數不宜太大，在這里設置為5倍左右，后面儀用放大器設置為100倍左右：K1=1+2R1/R3=5；K2=49.6K/RG+1=100；參數選擇：R1=R2=82K,R3=39K;RG=500l 共模抑制比： l 右腿驅動電路：為

8、了減小位移電流的干擾并減小共模電壓采用了右腿驅動電路。從圖中可以看到右腿這時不是直接接地，而是接到輔助放大器的輸出，從R4、R5兩電阻接點檢出的共模電壓經放大器后，再通過Ro反饋到右腿。人體的位移電流這時不再流入地，而是流向Ro。Ro在此起安全保護的作用，當人和地之間出現較大的電位時，輔助運放飽和，相當于地，Ro此時起限流保護的作用。電路由U3、R5、Rf、C5、R0組成，C5的作用是使右腿驅動電路穩定。R0=100K，Rf=10M，R5=10K，C5=4.7F。當輔助運放不飽和時，所以，采用右腿驅動電路可以減小人體與地之間的共模電位。共模電壓為Vcm=Rcm×Id；共模等效電阻為R

9、cm=R0/（1+2RF/R9），在選擇參數時要盡量減小共模等效電阻。l 共模取樣驅動電路：由兩個等值電阻R6、R7和運算放大器U3（LM324）跟隨器構成。U3的輸入信號取自U1和U2輸出端和兩個串聯電阻R6、R7的中點電壓Vc，即Vc=當只有差模信號的輸出Vo1=-Vo2時，有Vc=0。則運放A3的輸出電壓為零，等同于接地：而當兼有共模電壓和差模信號輸入時，U3的輸出只包含輸入信號的共模部分Vc=從而使得共模信號不經阻容耦合電路的分壓直接加在集成放大器的輸入端，避免了由于阻容耦合電路的不匹配而降低電路整體的共模抑制比。l 放大器U4選用AD620；U1、U2選用具有高輸入阻抗的放大器OP0

10、7；U3選用LM324；AD620是高增益高輸入阻抗的精密儀用放大器，可供電范圍±2.3to±18V，雙端供電范圍廣，易調節；MAX4194雙端供電范圍為±2.7to±3.3V，不在此范圍內的供電電壓都難以使MAX4194正常工作，單端供電5V18V，但雙端供電因為涉及到信號地較為麻煩，而且設計電路經常需要調試，多次使用或不慎使用很易造成其燒毀。故雖然MAX4194具有軌至軌輸出、高增益調節、低噪聲、低漂移等優良特性，但與AD620相比，我還是選擇了后者作為我的主放大器。、低通濾波：本設計要求濾波器的陡度系數要高，即波形要下降的速度較快。要求通帶截止頻率

11、p=35HZ，通帶內增益K=500且保持平坦，在阻帶截止頻率r=50HZ處至少衰減20dB，4.7，因此濾波器至少應設為五階。方案一：六階巴特沃思低通濾波器l 設置低通濾波的截止頻率為35HZ。l 歸一化值：C1=1.035F,C2=0.9660F,C3=1.414F,C4=0.7071F,C5=3.863F,C6=0.2588F；R1=R2=R3=R4=R5=R6=1l FSR=2fc=628;Z=104l 去歸一化后的標稱值C1=470nF，C2=470nF，C3=680nF，C4=330nF，C5=2.2F,C6=0.1F；R1=R2=R3=R4=R5=R6=10K測試結果l 如右圖所示

12、：可從圖中看出輸出波形有波紋，且50HZ頻率的輸入信號的輸出波形幅值約為100mV。通帶截止頻率為35.56HZl 測試數據為：頻率/HZ1.4413.0025.01810.2415.120.0224.9329.9935.56幅值/V0.60.6560.670.650.650.6280.610.5840.474頻率/HZ35.9436.9938.0140.14249.8955.0180.65100幅值/V0.4520.410.3760.3040.240.1020.070.0060.002方案二：用集成芯片MAX280本方案采用MAX291,其電路圖如左圖,電容C的計算公式：時鐘信號計算公式：F

13、osc=100fc經R、C調整后，可按如下公式選取參數選取：R=17.1517K（真實值17.5K）；C=0.47F（真實值0.465F）；Cosc=1410.75PF（真實值1500PF）l 測試結果：通帶截止頻率為34.36HZ頻率/HZ1.5213.6420.0634.3639.9149.976079.9890.06100幅值/V110.9760.7060.4060.1440.0580.0150.0090.006可見由MAX280組成的低通濾波電路不僅電路結構簡單，而且濾波曲線光滑。本設計采用此設計方案。、50HZ陷波器參數選擇：中心頻率fc=；品質因素：Q=，Q值不易選太大，否則易產生

14、自激，一般選十到幾十左右取Q=20，K=0.975；C1=C2=0.1F，C3=0.22F；R1=R2=30K，R3=15K，R4為10k電位器，R4=100K。、后級放大電路圖如右圖所示：采用反相放大器進行后級放大。前端加有電容，隔直用。放大器正輸入端接有平衡電阻，減少直流偏置。1）測心電用：增益A1=-R2/R1=-2；參數選擇：C1=1F（真實值0.712F），R1=508K，R2=992K，平衡電阻為R3=R1/R2=326K。高端截至頻率為：0.44HZ。） 測腦電用：增益A2=-R2/R1=-20； 運放電壓跟隨器法電路圖參數選擇：取R1=220K，R2=4.7M，平衡電阻為R3=

15、R1/R2=210K；C1=2.2F。、電源設計方案一：利用四節干電池供電，中間接地，將另一端j拉至-3v。此方案實現較為簡單，但電池節數太多，不利于整機攜帶。所以可選電池盒來雙端供電。方案二：采用單電源供電，可減少電池節數，但需要單獨引地線較為麻煩。因為選用的前置主放大器芯片是MAX4194，其雙端供電電壓為±2.7±3.3V，不在此范圍內的供電電壓難以使之工作，對于電池供電很難保證電池電壓在此范圍內，所以考慮到使用單端供電。供電方法如圖所示：由于采用單端供電，產生了一個幅值為Vcc2的偏置電壓，可以獲得最大的輸出動態響應范圍。（此處放大器的接地端為信號地）性能說明：&#

16、169; High-Power (1.8W) 8-Pin SOPackage© Dual Mode Operation: Fixed or AdjustableOutput from 1.25V to 11V© Large Input Range (2.7V to 11.5V)© Internal 500mA P-ChannelPass Transistor© 15A Typical Quiescent Current© 2A (Max) Shutdown Mode© Thermal Overload Protection©

17、 Reverse-Current Protection、穩壓電路：用集成芯片實現穩壓。MAX603可實現1.25V-11V的穩壓輸出。四、總結1 在前級放大之前不宜加無源高通濾波。如果輸入端設置電容隔置電路，勢必會破壞輸入端的平衡，使共模抑制能力下降。前級放大采用并聯型差分輸入以提高輸入阻抗和共模抑制比；還采用了右腿驅動電路以減小共模輸出。2 為了減小50Hz交流電對共模信號的干擾，采用右腿驅動電路：即人右腿不直接接地，而是通過限流電阻與驅動放大器相連，當病人和地之間，由于漏電或其它原因出現高電壓時，右腿放大器立即飽和，這相當于病人不直接接地，減少了電擊的危險。陷波器采用可調Q值和可調中心頻率的雙T型陷波網絡，避免了陷波不徹底及陷掉其他頻率波形的弊端3 將導聯線互相絞合，減少引線環路面積，空間磁感應干擾。4 由于導線屏蔽層與芯線間的分布電容不對稱性，故屏蔽導聯線總長不應超過3米。5 為了保證穩定的直流輸入，采用了反饋調節的穩壓電路，可以達到較好的穩壓效果。6 放大電路利用了儀器放大器的共模抑制比和增益的關系。結合右腿驅動電路、單片集成濾波器，實現了放大器的高性能。附圖：AD620管腳圖及