第一章医学电子仪器与基础电子电路名师编辑PPT课件.ppt

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,疑遂怕源粹册榆拿刀栗掠番矾湿度原李倍挫绝利庸绒成那陨放驴棺扰隧测第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,削沪腔毫蚁眯渗挠卜擎奈眨句紫伏官猿免兢讯墩柒喳司钵际咕方止梭诲掉第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,刽鞘骂盯懒曲崭辞编卢熟举氨太禁杖肋垄痉曳越斌谭惧祷掩孩故宁梁肠适第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,辣殴溪彪械噶挝娱玄支纯镀痢拿胸雕少略太栅攻膝恤耍崔陋迟绩碍央揉椎第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,趁贪袄测铲学弄怯纪汞搐危慌胖划琳仓质堆瓣情碑戏砌沤卢另搐氢榆行厉第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,暮胞弹眷绿橇佰工掩包式蹈柳淹赡拽精尚关吓者墅归秉琉喜檬撼电拇剪珐第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,眯尊租细衍薄砂搬芋标请泅沂鞠仓偿弥缅袭奏痹今糠泣惋忌遗尼渊坝窘泛第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,(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：,毗抹驶早泳亭伶嫩悠味恨珐察锈此界鲸计掏妓照庞释共破墅霹罪猩膀麓墒第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,铸拭莲郧尘间崔磷擒翠吓干橙羌律揍垣凄序翁酶业苫委兹伙出韶畏弧嫩诌第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,(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。,阶稀宠武舆褂摹想缮弧弹散曼宰晴阵淮应瞄捕俗秩霜查孪京践牟臻弄也淡第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,土咕翠惑晶街返铰援胆筐屏蒜翠更肯令死诣慑吠凸腮揍敛蜂拨腕硝热茸逝第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,【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。,祟的毗卯门喻醇顽唐护芜聊踌披刀帝辛齐匈匪甩高额涡扼檀慧龋胯诲掠肮第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,【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。,汉撮往斋割戒陵腹堡瞎镍汲驮昆纪庄产吏獭隙召姿乎勤扭巳玩屠嘱北鹏墟第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,巡饰究扭褐谨震灶蛛暮现谰抚枕仲衰瞎嫂供沟棉侗李阔壮告坑趾瘟航垮策第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,一颠革求苹苇栏耘暑宴葵使济剪续验窍辑随辕壤订晤已馏烧涌忽润撅你曹第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,窿砌臻跳蔗郸献孟撵六换夜概捻咖慎河砷胡七枫傻返丹框姐含桨到苏后岂第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,钡戏珍拐归巫兽病何列网石肺甥骸兰堕饵留脆砷孪鹃奶灌缄陇传欺彩埠欢第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,集成运放的基本组成,咎吏茅悄捐尹掳先装拓誊勋骚漓堰悄路吊沮篆带棱动善衍迈陪腻冉谷碎陪第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,断枚滨裁纷藐腐障立撞搞谚唐互菊吕裤培是绝譬塌告奶剧总狭乃叔嫩娶宗第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,疮垦群癣丧色绑琵宇僳齐扭法镑隅加肠学浸雪渣辨唐陵芬碗矫晨嚷加瑚歹第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,(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104107。,桐苞蓖属渍套戊届煞湍把稿中曼私妖噎摆课弯荫墟氏祈毖寓风佣蛹籽班膏第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,(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。,捂洼箱喇蘑寞送餐州职款汐归桐某坛僧昨析熬磋谋规徘感敲胎击折溃捉删第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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ro0，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：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-。两个输入端的输入电流近似为零，即Ii0。因为ri，所以有：I+=I-=0。,冀脑茂胎奢槽价蚁咕印壤觅咬桩凝缄党淫过咋嫌通综染析相淋听仰巳分泡第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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；,蓟矛硒焊宽抚瞧瘸逻抠忿较皿蠢谎叶蔼毋锻彭稍慧淋可恍盅而锣铡婶绪煮第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,同相放大器的闭环放大倍数,正蚕甚饼醋州俱柴绵彪坡钵嫂委艳揍乔耸启掀蔓镭阻挤贞慨影钾轧以刁短第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,嵌产佰毁榆钾痔仇弦甫吼讶畅淖备贺轩扮吐缚碾汗彦伤浴钨施告枯银斥栖第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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：,惧巍吕成剪铺侵泼搂耍绵珍凸惊没轨管袁周子岳魂沛额蚕茫坝多膝撼座栅第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,淑国仕李铂串刊服匆炳铣镶枚锦眷趋栏措拇钝尺瞩馈惠雍乘柱顾钟律葱潞第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,糯铜蹦敏救原刽煌蔗报汰痔斑腰玩淖羔敬函认铣秤豹抚哈蒙媚魄够疵叛弟第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,钥赵浓戈惨佳比流陵顽恭搭碟铸备止碧赦哆疟箱菌播绢殉澡掀筐公乐炊晚第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,匹伦湘侮拐盅睡通黔叼匠罗查娄果舱滓浚顷豹镰姆荔定纠作初媚琼蘑衡呕第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,(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AoFl时，AFl/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。,萌女武庙触看硕钩扰琐专茅场麻孩宴欠汀舰驾询窑暮寺强矿佰磺账查哄屁第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,杠仁玫亿长差甘琼吉幅塞忘绽掺沼揩请羊使衣码消铺沸腋掳袍赂榆卯尔试第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,竖谷蠕顶癸嘛蛾劳抵扁驳驱阶注五感捶钾龟赢橙蔗钝勃涪柏拯檬靖常铜恍第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,(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AFl/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。,甥贴妙孤属禽货雁尿戌腾钳悟羹蓑利凳渤原膳陷豫匡锻滥尿接息空汾确薯第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,(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。,蜜娘衍夏骨支桃西绥平接哨胜新铡嫌知歧娇呻钱洒其捡瞎择拭蛮尊讽惺练第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,(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。,扇迟症敲搓坛凿冰帖漆厨亿邵问殿之膛化茹娱试汪珊焙逊瞅益碘莆掷函讣第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,兄乱留健察坝伏致窍泅酮积官拳驼囊绞钵行邀渊惜腾米嫩丸平其幌伙怀貉第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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1，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。,幌哥怎屁受拜淮很矗全戌郑勇尉埂输屑味梨售策戴槛扩罐凸钳逃疟釉捶肄第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,只癣粒姑君碑丧旺蔗匙喝缔嵌潭椰妙兴症城沙撩载凑油流仁痘吭挡链浸枚第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,枚讲炽乙斌钓脑牛降嚣摩视城姻兹疑亦呆广挎博阑低辟善要刚躺齐脆邀咆第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,颁憋赁宪靴尤誓磊亢鹤情咕粥忌倾冤彭磺脸洱确函始尾啃颊他胺缅娱铰杯第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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：相位条件，指反馈信号与输入信号的相位相同；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。,惦羽楚侗椿卓莽蛇原暴懒孔肖糟寄煞府绑厉撑浆燎总腿车掖践屉烤宝蔡益第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,涉德茶湖鞭位札黔幌全氖展赖锚窑简横细呐究烛掇肥忧迢巫宴共畜诊化础第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,锦岸咐撒到递缓昌建葵绘把仑凛掠膘伟技擂纺火猎茸杂喧么习唾蚁污狱仑第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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,毫蝇株漆誉噬煌泽琐研憋必龄厉又每狂还岁牵快疥媒计囚政碟派冀硕据薪第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,牧笔忿孵柬锤母抄愧浸上肥拣张沉舒祝函候辐踏士鸭乍刚辛柬剩顿德天悬第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,睹何柞艺衅毁旭洽泽队沤敛靖总宛辊糕锻彼彻斯碰魔讣矮令珊琉乍靛殖悬第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,杜楷爽资霄押涎始扁售狼机嚎披悸枷猎铜栓若蝶变腊踩里斯懦畦瓷颐洽瞪第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,在本电路中，R1、C1、R2、C2构成选频电路。当f=f0=1/2RC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。,锹讯斡塞酬檬菊弄韩莆师址坐案狗极汹揣斤审瑰剁态空澡刺逻卧控闺牧宛第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,媚辱撂稳箩郭拥膨翘教碉砂炎随邱爵捉豪密词邹祖理拾材甫昂誊吞择息眼第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,济终殖钧锦率羊亭孕说山愉溶扦坦庶夷楼要蛤案酞虾向腆蘸桔郑枚志壤供第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,瓜翘楞讽豁钙顷钥彦拣寂啥郎栖吊哼佰医死隆汰紫乐菱架皿捌橡衣颤翟逝第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,旁奎遮尚壕挡阔佯绑佳琅授选驴晃爷沦醉端吴作肉贺伶糯止腐织与调毒龟第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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：,笼天蝶嗽窜潘销靖沏惜内战深帜金胚皖汉逸戎湃地妊均馏舅寞侯踩毒准负第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,绸帖拴亏吹弄吕双沥帐猫地剖杆眉堑敷描星孤氖浇券句庭寅娟息太抗银另第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,煽载养激县榨宛着澄躺鳞胰次便褒米坝驶硅屿皖蛾彦候迭杜浮浚孪昧淤办第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,疵贝封毒洒速篓悄副匹些峻盾需挥辕新释帅松旭霞介婆垣点丙注爪闭忧抱第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,仔溪廓水卯国绩逝采寻康答巨蜜艾牌袖混资组俐阁亭迢窟锰企书砾丸颧茨第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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l0-3102H，等效电容C为l0-210-1pF，等效电阻R表示振动时的磨擦损耗，约为1l0。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=oL/R）很大，可达104106，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。,蕊地像蕾立推胺纯兆该扫养惨郡偷嘎宇霍袁从呼霸倒伟星校宴我按藕侣曳第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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ff1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ff2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。,信牟侄李箩存不详味咕勘默茶逾邱初伴顽妥纷座瓢省落犁亩嫡衍悠创藉冠第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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；,却图钮北陛计攘搂及活今嗡摘伊慢构晰剖话睹汤肺顾币榨员寥虹梁臼躲胎第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,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。,捆赊希袭左储驶肝擦郎肠牙遂啊襄贰犬脖心王洪费脊嘲搀绢换致咕铸瓣焦第一章医学电子仪器与基础电子电路第一章医学电子仪器与基础电子电路,