1、測試系統的第1頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四噪聲的一些基本特性：噪聲是電路內固有的，不能用接地或屏蔽等方式消除內部噪聲成為測量精度的限制性因素各種生物電放大器輸入端短路噪聲限制了放大器能夠檢測的最小生物電信號第2頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四一、噪聲的一般性質噪聲電壓或噪聲電流是隨機的，噪聲的隨機過程不可能用一個確定的時間函數來描述，不能準確地預測未來某時刻的噪聲電壓的幅度或波形。但是它服從于一定的統計規律，能通過表示噪聲過程的概率密度P（u)而得知噪聲電壓落在某一范圍內的概率。 第3頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四S

2、（f)為功率譜密度，它表示單位頻帶內噪聲功率隨頻率的變化。噪聲功率譜密度曲線所覆蓋的面積在數值上等于噪聲的總功率。 第4頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四a：白噪聲 b:粉紅色噪聲 c:藍噪聲第5頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四兩種噪聲作用于系統時，設噪聲電壓均方值分別為U12和U22,總噪聲均方電壓U2 為C稱為相關系數。取包括零在內的1-1間的任何值，C0時，兩噪聲源為完全不相關，噪聲電壓瞬時值之間沒有關系，總均方電壓等于各噪聲源均方電壓之和；C= 1，為完全相關，兩相關噪聲線性相加；C= -1， 兩相關噪聲相減。第6頁，共40頁，2022年，

3、5月20日，12點2分，星期四二、生物醫學測量系統中的主要噪聲類型(一）1/f噪聲（低頻噪聲）(Low Frequency Noise) 產生機理：凡兩種材料之間不完全接觸，形成起伏的導電率便產生1/f噪聲。定義及特性：1f噪聲功率譜密度服從1f規律.這種噪聲，其噪聲電壓隨頻率的降低而增加。 第7頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四由f1-f2帶寬內噪聲的平均功率得到相應此頻段內噪聲電壓均方值為第8頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四減小低頻噪聲措施1、在噪聲性能要求高的放大器中盡量使用分立元件2、盡量使用金屬膜電阻而不使用碳膜、水泥等有不連續介質的電阻

4、第9頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四 (二)熱噪聲(Heat Noise)熱噪聲是由導體中載流子的隨機熱運動引起的。任何處于絕對零度以上的導體中，電子都在作隨機熱運動。 第10頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四電阻R中的熱噪聲電壓均方值Ut2為 S(f)=4kTR可見熱噪聲的譜密度與工作頻率f無關，屬于白噪聲。 f為測量系統的頻帶寬度(Hz）。 第11頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四熱噪聲特性：熱噪聲電壓均方值與絕對溫度T成正比熱噪聲電壓還與工作頻帶成正比.與電阻阻值成正比。第12頁，共40頁，2022年，5月20日，12點

5、2分，星期四減小熱噪聲的措施1、在微弱信號檢測的低噪聲電子設備中，常利用超低溫技術來減小噪聲。2、在保證信號不失真傳遞的條件下，應盡量減小系統的頻帶。3、提取信號的傳感器電阻應盡可能小，避免增加額外的串聯電阻。第13頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四（三）散粒噪聲（Shot Noise） 在半導體器件中，載流子產生與消失的隨機性，使得流動著的載流子數目發生波動，時多時少，由此而引起電流瞬時漲落稱為散粒噪聲。散粒噪聲電流的均方值為 其中q為電子電荷,q=1.5910-19C；IDC為器件的平均直流電流（A）；f為測量系統的頻帶寬度。 第14頁，共40頁，2022年，5月20

6、日，12點2分，星期四散粒噪聲特性：散粒噪聲屬于白噪聲，其譜密度為2qIDC。散粒噪聲與流過半導體PN結位壘的電流有關，所以三極管、二極管中，都存在散粒噪聲的電流噪聲機構。在簡單的導體中沒有位壘，因此沒有散粒噪聲。 第15頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四三、描述放大器噪聲性能的參數（一）等效噪聲定義：放大器內部的所有噪聲源（包括外圍電路），用與放大器輸入端串聯的阻抗為零的噪聲電壓源Un和與放大器輸入端并聯的阻抗為無窮大的噪聲電流源In以及二者的相關系數C來等效，而放大器（或任何二端網絡）本身便可視為無噪聲的。 第16頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期

7、四Uni=Uns+Un+In Rs第17頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四Un意義用于表示放大器能夠測量的最小生物電信號的大小，作為放大器設計的性能指標參數Uni=Uns+Un+In Rs 第18頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四（二）噪聲系數定義：放大器總的輸出噪聲功率和源電阻在放大器輸出端產生的熱噪聲功率的比值意義：表示信號經放大器后，信號質量（即信噪比）惡化程度的度量第19頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四第20頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四例:某放大器噪聲系數為6dB,其通頻帶為10kHz,若要

8、求輸出信噪比為10，則此放大器的輸入信號功率最小是多少？第21頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四噪聲系數與Un、In關系噪聲匹配：調整信號源的電阻使噪聲系數最小第22頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四F=Uni/Uns=1+Un/4kTRSf+InRS/4kTfRSO=Un/InFmin=1+UnIn/2kTfSO/NO=4kTRS f+Un+InRSUS第23頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四結論1、最大的信噪比發生在Rs=0，因此最小的噪聲系數并不一定有最大的輸出信噪比。2、噪聲系數的價值在于比較不同放大器的噪聲，根據噪聲匹

9、配的要求,進行有源器件的選擇.第24頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四（三）多級放大器的噪聲第25頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四結論：第一級放大器的噪聲系數對總噪聲系數的貢獻最大，努力降低第一級的噪聲，是實現低噪聲設計原則第26頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四實際設計原則：1、使第2級及以后各級的等效輸入噪聲與第一級的噪聲相比很小。2、在滿足其他噪聲條件下，第一級增益應盡可能高.3、在有源器件負載允許的條件下，盡量選擇低阻值的外回路電阻（尤其是輸入級）.第27頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四 基本要

10、求 高輸入阻抗 高共模抑制比 低噪聲、低漂移 設置保護電路1 生物電放大器前置級原理第三章：信號放大第28頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四29 高輸入阻抗和高共模抑制比高CMRR 高Ri？ 第29頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四30 電極 放大器名稱 參數名稱 ECG-Amp EEG-Amp VEP-Amp EMG-Amp 輸入阻抗 1M 5M 200M 100M 輸入端短路噪聲（p-p） 10V 3V 0.7V 8V 共模抑制比 60dB 80dB 100dB 80dB 頻帶 0.05-250Hz 0.5-70Hz 0.5Hz-3kHz 2Hz

11、-10kHz 板電極 片狀或針電極 幾種體表電位測量時輸入阻抗指標第30頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四高共模抑制比第31頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四32 低噪聲低漂移措施： 差動輸入形式 電路對稱結構，嚴格挑選器件 采用調制式直流放大器 設置“復零”電路，將基線在特殊情況下復零第32頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四33 保護電路人體安全保護電路 放大器輸入保護電路 校準電路第33頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四34 差動放大器的分析方法分析參數 共模抑制能力 輸入阻抗第34頁，共40頁，202

12、2年，5月20日，12點2分，星期四第35頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四36 得出：以上為理想情況下所得,實際中外回 路不可能達到完全的對稱平衡.第36頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四37 1 由電阻失配所造成的CMRRR影響差動放大器共模抑制能力的因素2 器件本身共模抑制比CMRRD第37頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四38 結論在同時考慮電阻失配和器件本身的CMRRD的影響時，放大器總的CMRR將進一步下降 差動放大器的共模抑制能力受到放大電路閉環增益、外電路電阻匹配精度以及放大器本身共模抑制比等因素影響 差動放大器的輸入阻抗 Ri=2R1 第38頁，共40頁，2022年，5月20日，12點2分，星期四39 基本