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便携式脑电放大器设计报告 天津大学 精仪学院 （300072） 王慧泉 3004202330 一、项目的任务与要求 设计题目：脑电放大器（电池供电） 任务与要求：把头皮表面脑电信号放大到伏的量级上，通过前级放大电路和后级放大电路，把信号放大10000~50000倍左右。 二、设计目的 　　人的脑电信号（EEG）是大脑皮层的神经元细胞所产生的电流总和在穿过头颅到达头皮后，所引起的头皮不同部位有不同的电位水平。　　　 　　人自发的EEG在清醒状态下常常含有节律性的电位变化。成年人清醒安静状态下的正常EEG通常包括多种不同频率的波。 　　头皮表面的EEG信号范围为1～100μV。频率范围0.5～100Hz，皮质电位约为1mV。 在静息状态下脑电所包含的频率可分为下述5类： δ（Delta波深度睡眠状态Theta波梦境状态Alpha波催眠状态Beta波清醒或激动状态 　　是一种规律的频率为8～13 Hz，波幅10～100uV的正弦形节律。这是脑电图的基本节律，主要出现在大脑球后半部，特别是在枕部的描记中，安静及闭眼时出现最多，波幅亦最高，其波幅可以出现周期性逐渐升高和降低现象，呈纺锤形或梭形。当睁眼或思考问题时，α节律可抑制。 β节律 　　是指频率为14～30 Hz，波幅在5～20uV之间的一种低波幅电活动，在前头部最多见。当β活动占优势时，其波幅可达50uV。β活动属于快活动（频率高于a节律的活动称快活动）。当被检者思考问题，或有明显焦虑、抑郁，或使用镇静药物时，β活动明显增多，β活动波幅增高多数是神经细胞兴奋增高的表现。适量的β波，对积极的注意力提升，以及认知行为的发展有著关键性的助益。 ３、系统模块设计 　　　　　　　　　　　　　　 四、单元电路设计与分析 一般脑电机的技术指标为： 输入阻抗大于10MΩ； 共模抑制比大于80dB（即共模抑制比大于10000:1）—轨的特性，输出幅度可接近电源电压。因为前置放大器的增益大一些对抑制放大器件本身噪声有利，根据Ag=1+50K/Rg.，欲使增益为100，计算得Rg=510，根据实际可将Rg＝510, 则实际放大为99倍，增益误差为1%；G=1000时CMRR典型值为115dB，3dB带宽为0.147K Hz，大于设计要求。 备选方案：选用AD623，最小供电电压为2.5V，最小功耗650mW 。具有轨—轨的特性，输出幅度可接近电源电压。根据Ag=1+100K/Rg，欲使增益为100，计算得Rg=1K，根据实际可取值为Rg=1K，则实际放大为101倍，增益误差为1% ； G= 1000时，CMRR最小值是105, 3dB带宽为2KHz，大于设计要求。 前级并联放大器及跟随器选用低功耗精密放大器max414，采用CMOS技术制造。最低工作电压为2.4V，功耗30mW。输入电压应在比负电源高1.5V，比正电源低1.5V。输出电压范围（2K负载）在比负电源高1.3V 和比正电源低1.4V之间。 备选方案：由于max414输入阻抗只有2K，跟随器设计提高输入阻抗的方法不知能不能达到设计要求。因此前级跟随器可选用放大器LM324，输入阻抗2M，工作电压为±1.5V to ±15V。采用跟随器设计，提高输入阻抗。 因此前级放大器共放大100倍。 噪声分析： 芯片噪声： max4194：失调电压2.0μV/℃， G=100，f=10Hz时噪声密度=32nV/Hz； AD623： 失调电压200μV/oC失调电流2μV/oC， G= 1000 f=1 kHz时输入噪声密度= 35 nV/Hz ，输出噪声密度=50 nV/Hz； max414：其特点是低噪声，f=１KHz时噪声密度2.4nV/，增益带宽积28MHz，单位增益稳定，压摆率4.5V/μS，失调电压250μV，静态电流2.5mA。 通过计算运放噪声小于设计要求噪声，符合要求。 Lm324：失调电压典型7μV/oC ，失调电流典型10μV/oC，偏置电压最大7mV，偏置电流最大2nA， f=100KHz时带宽1.3MHz；输入１KHz时，噪声密度为40nV/， 电阻噪声：电路中噪声影响最大的电阻就是并联的R3、R4，阻值为1M； 噪声电压的均方值为：，其中k=1.372*10-23J/K,T=293K，B=150Hz，R=500K1M，计算得输入导线上50K1M电阻在30Hz内的热噪声最大为0.0785μV，R3、R4总共引入噪声为μV，其他电阻带入系统热噪声远小于此值，可以近似忽略，0.11μV 3μV符合设计要求。 其他设计 设计要求在输入出现5000V高压时不会损坏电路，两个二极管可以选用低漏电的微型二极管，其最大允许通过电流为100mA，R=50KΩ，从而这样输入端可以承受高达5000V的高压而不被破坏后级电路。