CN113520407A - 一种脑电放大器 - Google Patents

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刘成杰
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Abstract

本发明公开了一种脑电放大器，包括信号采集模块、电流放大模块、差分放大模块及信号输出模块，信号采集模块包括记录电极、参考电极和地电极，电流放大模块包括记录放大器、参考放大器及地放大器，记录电极连接第一电阻且作为记录放大器的前极，记录放大器的后极连接差分放大模块的前极，参考电极连接第二电阻且作为参考放大器的前极，参考放大器的后极连接差分放大模块的前极，参考放大器的后极作为地放大器的前极，且差分放大模块的增益反馈端作为地放大器的前极，地电极连接第三电阻且作为地放大器的后极，使得脑电放大器具备高输入阻抗的特点，同时使输出的共模信号具备等电位点，共模信号为零，从而消除了共模干扰，具备更高的共模抑制比。

Description

一种脑电放大器
技术领域
本发明涉及脑电采集设备领域，尤其涉及一种脑电放大器。
背景技术
脑电信号是一种微弱的电信号，其采集于目标的脑部位置，通常用于医疗器械设备中。
由于脑电信号采集要求高输入阻抗、高共模抑制比、高分辨率、抗干扰强、放大倍数大。所以在器件选择方面，增益高、失调电压低、偏置电流小、共模抑制比高、噪声低的高精密运放由为重要。脑电采集过程中对干扰信号的抑制是高质量采集脑电的关键步骤。
而采集的脑电信号通常包含有差分信号和共模信号，采集后需要抑制共模信号以获得准确的差分信号，现有的设备中对共模抑制不足。
发明内容
本发明提供了一种脑电放大器，旨在解决现有的脑电放大器在放大脑电信号时对共模信号抑制不足的问题。
根据本申请实施例，提供了一种脑电放大器，包括信号采集模块、电流放大模块、差分放大模块及信号输出模块；所述信号采集模块、电流放大模块、差分放大模块及信号输出模块依次连接；所述信号采集模块包括记录电极、参考电极和地电极，所述地电极接入待测体的地极；所述电流放大模块包括记录放大器、参考放大器及地放大器；所述记录电极连接第一电阻且作为所述记录放大器的前极，所述记录放大器的后极连接差分放大模块的前极，所述参考电极连接第二电阻且作为所述参考放大器的前极，所述参考放大器的后极连接差分放大模块的前极；所述参考放大器的后极作为地放大器的前极，且所述差分放大模块的增益反馈端作为地放大器的前极，所述地电极连接第三电阻且作为所述地放大器的后极。
优选地，所述参考放大器的后极通过第四电阻接入地放大器的负反馈端，所述地放大器的负反馈端通过第五电阻连接到地放大器的后极。
优选地，所述差分放大模块的增益反馈端与所述地放大器之间连接第六电阻，并在地放大器的前极连接第七电阻接地。
优选地，所述记录放大器、参考放大器及地放大器的电源端分别连接电压跟随器的输出端。
本发明提供的一种脑电放大器具有以下有益效果：
1、通过将记录电极连接由第一电阻R1和记录放大器(U1A)组成的电压跟随电路，作为差分放大模块的前极，所述参考电极连接由第二电阻R2和参考放大器(U2A)组成的电压跟随电路作为差分放大模块的前极，通过两个电压跟随电路使得本发明提供的脑电放大器具备高输入阻抗的特点。同时，通过设置记录电极、参考电极和地电极的三个电极采集脑电信号，并将记录电极和参考电极同时参考地电极的电位点，使得在检测脑电信号过程中，产生的共模信号经过地放大器的放大后分别反馈到记录电极与参考电极分别组成的电压跟随电路中，使输出的共模信号具备等电位点，共模信号为零，从而消除了共模干扰，具备更高的共模抑制比，能够有效地抑制脑电信号放大后的共模信号。
2、在参考放大器的后极通过第四电阻R4接入地放大器的负反馈端，所述地放大器的负反馈端通过第五电阻R5连接到地放大器的后极，使得参考电极在收到噪声干扰时，通过地放大器(U4A)与R3、R4、R5组成反馈电路，可以将噪声消除，使参考电极在有噪声环境的情况下，进一步提高脑电信号探测及放大的信号质量，降低了整个系统的噪声，也就使得本设备具有更稳定的参考电压值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明第一实施例提供的一种脑电放大器的模块图。
图2是本发明第一实施例提供的一种脑电放大器的电路图。
图3是本发明第一实施例提供的一种脑电放大器中浮空电位方式的电压跟随驱动电路的电路图。
标号说明:
1、信号采集模块；2、电流放大模块；3、差分放大模块；4、信号输出模块；11、记录电极；12、参考电极；13、地电极；21、记录放大器；22、参考放大器；23、地放大器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
请结合图1和图2，本发明公开了一种脑电放大器，主要运用在脑电采集设备的信号输入前极，用于对采集的脑电信号首先进行放大和处理。所述脑电放大器包括信号采集模块1、电流放大模块2、差分放大模块3及信号输出模块4。所述信号采集模块1、电流放大模块2、差分放大模块3及信号输出模块4依次连接，所述共模反馈模块5分别与所述电流放大模块2及所述差分放大模块3连接。
所述信号采集模块1包括记录电极11(S+)、参考电极12(REF)和地电极13(G)，所述地电极13接入待测体的地极。例如，在本实施例中，所述记录电极11、参考电极12和地电极13分别对应设备的三个探测头，三个探测头分别接触到人体的不同部位，例如，参考电极12和地电极13的两个探测头接触到人体的耳朵部分，而地电极13进一步接触到耳垂区域作为人脑的地电位点，记录电极11则接触到人脑的不同区域，例如额头、脸部等区域。
所述电流放大模块2包括记录放大器21、参考放大器22及地放大器23，所述记录电极11连接第一电阻R1且作为所述记录放大器21的前极，所述记录放大器21的后极连接差分放大模块3的前极，所述参考电极12连接第二电阻R2且作为所述参考放大器22的前极，所述参考放大器22的后极连接差分放大模块3的前极。
所述参考放大器3的后极作为地放大器23的前极，且所述差分放大模块3的增益反馈端作为地放大器23的前极，所述地电极13连接第三电阻R3且作为所述地放大器23的后极。
可以理解，所述记录电极11连接由第一电阻R1和记录放大器21(U1A)组成的电压跟随电路，作为差分放大模块3的前极，所述参考电极12连接由第二电阻R2和参考放大器22(U2A)组成的电压跟随电路作为差分放大模块3的前极，所述差分放大模块3设置为一个差分运算放大器U3A，U3A的前极(输入端)分别连接记录电极11和参考电极12的电压跟随电路，还包括一个增益反馈端口，该端口包括接入的两个电阻R6A和R6B，在增益反馈端口的线路接入到地放大器23(U4A)的正反馈端口(前极输入端)，而地放大器23(U4A)的正反馈端口接入参考放大器22(U2A)的后极上，最后通过地放大器23(U4A)的输出端接入到地电极13。
请结合图3，可以理解，所述记录放大器21、参考放大器22及地放大器23的电源端分别连接电压跟随器的输出端，所述电压跟随器的输入端在接入外部电源后，其电源经过电压跟随器的处理后分别输出记录放大器21、参考放大器22及地放大器23上供电。也即所述记录放大器21、参考放大器22及地放大器23采用了浮空电位的方式来提高CMMR，如图3，正电源+VDD输入由U5A、R7、R8、R9、R10、Q1组成的电压跟随驱动电路后输出+AVDD，负电源-VDD输入由U6A、R11、R12、R13、R14、Q2组成的电压跟随驱动电路后输出-AVDD。如图3，U1A、U2A、U4A接入正负电源+AVDD和-AVDD。
请继续参阅图2，所述参考放大器22的后极通过第四电阻R4接入地放大器23的负反馈端，所述地放大器23的负反馈端通过第五电阻R5连接到地放大器23的后极。同时，所述差分放大模块3的增益反馈端与所述地放大器23之间连接第十六电阻R16，并在地放大器的前极连接第十五电阻R15接地。
使用时，将所述记录电极11、参考电极12和地电极13对应设备的三个探测头，分别接触到人体的不同部位，此时记录电极11和参考电极12的电位点均参考地电极13的电位点进行检测，获得微弱的人脑电信号，在记录电极11和参考电极12接入后会产生共模信号，而非理想产生的共模电压变量定义为ucmr，此时R6A和R6B之间会产生一个C*ucmr,C为任一常数，则地电极G产生一个共模电压变量C*g*ucmr，其中g＝1+R5/R4,C*g*ucmr反映到记录放大器U1A和参考放大器U2A,由于记录电极11和参考电极12的电位点均参考地电极13的电位点进行检测，使得共模信号与差分信号的电位相同，使输出的共模信号为零，相当于接到共模电压等电位点，从而消除共模干扰。同时，差分放大模块3和R6A和R6B组成的差分放大部分，其主要功能是消除人体引入的工频干扰。设工频干扰为un，如果两个电极处的工频干扰相位相同且电压相反，则输出电压uout＝G[(u1+un)-(u2+un)]＝G(u1-u2)。G是差分放大电路的增益，这里由差分运放和R6A和R6B来决定G的大小。而在消除共模干扰时，差分信号首先经过电流放大模块2进行放大，其次经过差分放大模块3进行差分放大，之后经过信号输出模块3向外输出获得脑电信号的采集。
特别地，由于参考电极12(REF)端的电压会受到噪声干扰，设噪声输入为unr，则参考放大器U2A输出噪声变量为unr。此时地电极13(G)端产生一个噪声电压ugn＝unr*-R5/R4，将该产生的噪声电压与输入噪声电压相加则总电压为una＝unr+ugn＝(1-R5/R4)unr。通过地放大器23(U4A)与R3、R4、R5组成反馈电路将噪声消除。
可以理解，通过将记录电极11连接由第一电阻R1和记录放大器21(U1A)组成的电压跟随电路，作为差分放大模块3的前极，所述参考电极12连接由第二电阻R2和参考放大器22(U2A)组成的电压跟随电路作为差分放大模块3的前极，通过两个电压跟随电路使得本发明提供的脑电放大器具备高输入阻抗的特点。同时，通过设置记录电极11、参考电极12和地电极13的三个电极采集脑电信号，并将记录电极11和参考电极12同时参考地电极13的电位点，使得在检测脑电信号过程中，产生的共模信号经过地放大器23的放大后分别反馈到记录电极11与参考电极12分别组成的电压跟随电路中，使输出的共模信号具备等电位点，共模信号为零，从而消除了共模干扰，具备更高的共模抑制比，能够有效地抑制脑电信号放大后的共模信号。
进一步地，在参考放大器22的后极通过第四电阻R4接入地放大器23的负反馈端，所述地放大器23的负反馈端通过第五电阻R5连接到地放大器23的后极，使得参考电极12在收到噪声干扰时，通过地放大器23(U4A)与R3、R4、R5组成反馈电路，可以将噪声消除，使参考电极12在有噪声环境的情况下，进一步提高脑电信号探测及放大的信号质量，降低了整个系统的噪声，也就使得本设备具有更稳定的参考电压值。
本发明提供的一种脑电放大器具有以下有益效果：
1、通过将记录电极连接由第一电阻R1和记录放大器(U1A)组成的电压跟随电路，作为差分放大模块的前极，所述参考电极连接由第二电阻R2和参考放大器(U2A)组成的电压跟随电路作为差分放大模块的前极，通过两个电压跟随电路使得本发明提供的脑电放大器具备高输入阻抗的特点。同时，通过设置记录电极、参考电极和地电极的三个电极采集脑电信号，并将记录电极和参考电极同时参考地电极的电位点，使得在检测脑电信号过程中，产生的共模信号经过地放大器的放大后分别反馈到记录电极与参考电极分别组成的电压跟随电路中，使输出的共模信号具备等电位点，共模信号为零，从而消除了共模干扰，具备更高的共模抑制比，能够有效地抑制脑电信号放大后的共模信号。
2、在参考放大器的后极通过第四电阻R4接入地放大器的负反馈端，所述地放大器的负反馈端通过第五电阻R5连接到地放大器的后极，使得参考电极在收到噪声干扰时，通过地放大器(U4A)与R3、R4、R5组成反馈电路，可以将噪声消除，使参考电极在有噪声环境的情况下，进一步提高脑电信号探测及放大的信号质量，降低了整个系统的噪声，也就使得本设备具有更稳定的参考电压值。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种脑电放大器，其特征在于:包括信号采集模块、电流放大模块、差分放大模块及信号输出模块；
所述信号采集模块、电流放大模块、差分放大模块及信号输出模块依次连接；
所述信号采集模块包括记录电极、参考电极和地电极，所述地电极接入待测体的地极；
所述电流放大模块包括记录放大器、参考放大器及地放大器；
所述记录电极连接第一电阻且作为所述记录放大器的前极，所述记录放大器的后极连接差分放大模块的前极，所述参考电极连接第二电阻且作为所述参考放大器的前极，所述参考放大器的后极连接差分放大模块的前极；
所述参考放大器的后极作为地放大器的前极，且所述差分放大模块的增益反馈端作为地放大器的前极，所述地电极连接第三电阻且作为所述地放大器的后极。
2.根据权利要求1所述的一种脑电放大器，其特征在于：所述参考放大器的后极通过第四电阻接入地放大器的负反馈端，所述地放大器的负反馈端通过第五电阻连接到地放大器的后极。
3.根据权利要求1所述的一种脑电放大器，其特征在于：所述差分放大模块的增益反馈端与所述地放大器之间连接第六电阻，并在地放大器的前极连接第七电阻接地。
4.根据权利要求1所述的一种脑电放大器，其特征在于：所述记录放大器、参考放大器及地放大器的电源端分别连接电压跟随器的输出端。
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