生物电放大器bioelectric amplifier

系将微小的生物电放大的装置。多采用差动直流放大电路。可将其倍数放大万倍至数百万倍，不失真且噪声小、频率特性好、灵敏度高，输入阻抗高。此种放大器可用于检测脑生物电、肌生物电、血液流体生物电变化等，组合于不同的仪器上可通过描记、显像、摄影及中间信号转换等在医疗诊断、监护、科学研究等领域具有重大意义。

生物电放大器bioelectronic amplifier

是用以放大微弱生物电信号的放大器。它多采用差动直流放大电路。其特点是频率特性好；灵敏度高，放大倍数在10⁵～10⁷间；输入阻抗高；噪声低，失真小。

生物电放大器

生物电放大器是生物电测量仪器的重要组成部分，其作用是将微弱的生物电信号高保真放大，以便进一步处理、记录或显示。由于绝大多数生物电信号是微弱的缓变信号，具有较高的信号源阻抗，存在着较强的背景噪声和干扰，因此生物电放大器必须具有高输入阻抗、高增益、高共模抑制比、高安全性、低噪声、低漂移以及合适的频带宽度和动态范围等性能。
输入阻抗 是指自放大器输入端看进去的阻抗，是生物电信号源的负载。生物电放大器不应从生物电信号源吸取电流，而应对被测信号源呈现最轻的负载；负载过重时会导致信号失真。为此，放大器的输入阻抗应比信号源的内阻大数十倍以上(例如2MΩ以上)。在许多应用中，放大器输入阻抗最好能达到10MΩ；而用微电极记录细胞水平的电位变化时，由于微电极阻抗高达几十MΩ甚至上百MΩ，因此微电极放大器的输入阻抗应高于数千MΩ。此外，在这种放大器中，由于电极屏蔽、布线和放大器输入电容引起的附加电容，通常会使从信号源看到的有效电容性负载增大，它与微电极电阻串联，形成较大的时间常数，从而导致快速上升的动作电位发生畸变。为此，微电极放大器通常利用正反馈的方法产生一个等效的负输入电容，以中和微电极的电容负载。采用场效应晶体管等高输入阻抗器件，以及应用串联负反馈、反馈电流跟踪法和自举法等措施后，都能有效地提高生物电放大器的输入阻抗。在某些情况下，为降低噪声电平，减少其它干扰的引入，希望有较低的电极阻抗和放大器的输入阻抗。
增益 是衡量放大器放大微弱信号的能力的指标。电压增益是指放大器输出信号电压幅度V0和输入信号电压幅度Vi之比，即A_V＝V₀/V_i。在工程上常用分贝(dB)作为增益的单位，于是
各种生物电信号的幅度通常为几mV以下，脑电图及体表希氏束电图信号通常只有几μV到几十μV。为了将它们放大到适合于记录或显示装置的电平，大多数生物电放大器都必须具有很高的电压增益，通常在60dB(1,000倍)至120dB(100万倍)之间。
共模抑制比(Common mode rejection ratio,CMRR)生物电放大器一般采用对地对称的双电极差动放大器，如图1所示。被测生物电信号采用差动输入方式，称为差模信号，相应的放大器增益称为差模增益； 而干扰信号对差动放大器输入端来说则是一种大小相等，极性相同的共模信号，放大器对共模信号的增益称为共模增益 (Common modegain,CMG)。双电极差动放大器的共模增益很低，因而具有抑制共模干扰的作用。通常采用共模抑制比表征放大器抗干扰能力的大小，它的定义为差动增益(differen-tial gain,DG)与共模增益之比，即CMRR=DG/CMG也可用dB作单位，这时

图1 双电极差动放大器

于生物电放大器一般具有高的输入阻抗和高增益，因而为各种干扰源提供了通道，其中工频(50Hz)干扰最突出，因它正落在大多数生物电信号的频谱范围之内。由于工频干扰是共模信号，因此为使放大器有较高的抗干扰能力，希望放大器具有很高的共模抑制比（理想的值应为无穷大），一般需在60dB (1,000倍)以上。目前，生物电放大器的共模抑制比很容易做到80dB以上。CMRR>100dB以上的放大器，一般可在无屏蔽情况下工作。
漏电流 由于生物电放大器通过电极与患者相连而产生的流经人体入地的漏电流，有可能导致患者受电击的危险。为了保证人体的安全，必须尽可能地减小漏电流，其有效措施是与患者相连的放大器的前置部分完全对地绝缘，以隔离人体与大地之间一切可能的漏电流通道。这种放大器的直流电源的“地”电位是浮动的参考零电位，不与大地相通，故称浮地放大器。采用浮地前置放大器后，浮地部分与后续的接地部分之间信号的传递，可采用光耦合和电磁耦合方式，亦可由电磁波、光波、超声波、机械振动等作为传递媒介，如图2所示。浮地部分的电源可采用干电池或采用有隔离变压器的直流-直流变换器供给。

图2 采用光耦合的浮地技术

漂移 在采用直流放大器的场合下，电子元件和晶体管的温度漂移与老化，会引起放大器零点漂移，进而可能导致末级放大器进入饱和状态，使测量无法进行，并造成仪器基线漂移。零点漂移现象限制了直流放大器的输入范围，并严重影响仪器长时间测量的准确度。
零点漂移可采用热敏元件进行温度补偿，也可采用差动放大器加以抑制。温度对放大器的影响如同某些干扰一样属于共模信号，对称性好的差动放大器可有效地抑制由温度而引起的零点漂移。为放大微伏级的直流或缓变信号，可采用调制式放大器，先将待放大的直流或缓变信号变换（调制）为一定频率的交流信号，然后经几级具有隔直流元件的交流放大器加以放大，最后再变换（调解）为与输入信号相对应的放大了的直流或缓变信号。放大器本身所产生的漂移，由于不能通过交流放大器而受到了抑制。
噪声 放大器内部固有的电扰动称为放大器的噪声，它是由电阻内部自由电子的不规则热骚动和晶体管中载流子的不规则运动而引起的。若生物电放大器本身的噪声较高，则可能将微弱的生物电信号淹没而难以观测，为此，要求生物电放大器是低噪声放大器。通常将放大器输出端的噪声除以放大器的增益定义为折合到放大器输入端的等效噪声，用以衡量放大器内部噪声的大小，目前已能达到1μV量级。通常将信号功率与噪声功率之比定义为信噪比，用以说明信号与噪声之间的数量关系。选择低噪声的电路元器件，并限制生物电放大器的频带宽度（生物电信号的频谱一般都不宽），可有效地减小噪声，提高信噪比，从而提高检测微弱生物电信号的能力。
由于各类生物电信号的频率成分和信号幅度不同，驱动的负载（记录和显示装置）不同，对生物电放大器可能还有一些性能要求，例如动态范围、频率失真和非线性失真、输出阻抗等。目前，生物电放大器，尤其是前置放大器，大都采用各类集成运算放大器电路(通用型、高输入阻抗型、低噪声型、低漂移型、低功耗型、高增益型、大功率型等)。一种典型的生物电前置放大器是三运放差动放大器，如图3所示。

图3 三运放生物电前置放大器