第25卷第8期计算机仿真2008年8月:1006-9348(-0300-04脑电图机放大电路的设计与仿真刘国立,王一丁(中国科学院研究生院,北京摘要:在现有生物电放大器研究的基础上,改进并设计了一种符合脑电信号特征的新型高性能放大电路,避免了传统生物电放大电路冗繁的模拟滤波环节。设计中利用TI公司的低功耗仪表放大器INA326,得到了较高的共模抑制比;进而通过50Hz陷波器和低通滤波器,有效地消除了脑电信号强大背景噪声的干扰,实现了微弱脑电信号的放大和采集;最后利用TI2NA仿真软件对该前置放大电路和50Hz陷波器进行了设计的仿真验证。结果表明,放大电路具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、非线性度小、抗干扰能力强的特点,具有较强的实用性。关键词:脑电;仿真;共模抑制比;前置放大器;陷波器:TP39119文献标识码:BDesignandSimulationofAmplifierofElectroencephalographLIUGuo-li,WANGYi-ding(GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Bei激ng,P.RChinaABSTRACT:Onthebasisofexistingbiologicalelectricityamplifierwhichisstudied,adesignofnewtypeandhighperformanceamplifiercircuitwasproposedwhichisinagreementwiththecharacteristicoftheEEGsignalandthecircuithaspreventedthetraditionaldesignfromenlargingthemiscellaneoussimulationofthecircuitandstrainingthewavelink.First,thehighCommonModeRejectionRatio(CMRRwasachievedbytheuseofinstrumentationam2plifierINA326withlowconsumedpower;Then,inordertoeliminatethestrongbackgroundnoisesofEEGsignal,50Hznotchfilterandlow-passfilterhavebeenintroducedinthisdesignandrealizedtheamplificationandcollec2tionofweakEEGsignal.Finally,thefeasibilityofthedesignisprovedaccordingtothesimulationofpreamplifierand50HznotchfilterbytheuseofTINAsoftware.Theresultsindicatethatthecircuithasabrightapplicablefuturebecauseofitscharacteristicsofhighinputimpedance,highCMRR,lownoises,lowdegreeofnonlinearandhighanti-interferenceability.KEYWORDS:Electroencephalogram(EEG;Simulation;CommonModeRejectionRatio(CMRR;preamplifier;Notchfilter1引言人体大脑皮层的神经元具有自发的生物电活动,使得大脑皮层经常具有持续的节律性电位的改变,临床上利用双极或单极记录方法在头皮上观察大脑皮层的电位变化,记录到的脑电波称为脑电图(EEG[1]。脑电图机就是用来研究大脑神经细胞活动的精密电子仪器,它能迅速而准确地记录大脑两半球电活动的曲线。由于脑电信号属于低频微弱的自然信号,其幅值一般在015~100μV,频率为015~40Hz,具有不稳定和非线性的特点,容易受到各种噪声的干扰,为了对其进行处理、记录及显示,必须首先把电极检测到的脑电信号放大到所要求的强度,因而信号放大器就成为脑电图机的关键环节及设计的主要内容,而放大器的核心是前置放大,目前生物电放大器前置级电路普遍采用的是由OπBrient提出的非常经典的同相并联结构的前置级放大电路[2]。这种结构的电路由3个基本运算放大器构成,其中2个组成同相并联输入第一级放大,以提高放大器的输入阻抗,另一个为差动放大,作为放大器的第二级,由于该电路共模抑制比较低(60dB且对电阻的匹配精度要求很高,因此这种传统设计无法得到较好的脑电信号,成为脑电图机放大电路设计的瓶颈。近年来,由于微电子技术得到迅猛的发展,出现了许多高性能的由同相并联结构的三运放电路集成的仪表放大器,如美国TI公司、ADI收稿日期:2008-05-18修回日期:2008-06-22公司、BB公司和Linear公司等生产了很多不同档次的集成化仪表放大器,使得利用其设计新型脑电图机放大电路,克服传统放大电路的缺陷成为可能,为设计生物电放大器提供了充分的选择和便利条件。本文根据脑电信号的微弱特性和微弱信号处理要求,采用TI公司的低功耗仪表放大器INA326[3]设计了具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、非线性度小、抗干扰能力强脑电图机的放大电路,同时利用TI公司的TINA仿真软件对其进行了仿真验证。2脑电图机放大电路原理由于脑电信号具有频率低、信号弱的特点,在对其进行有效地采集、处理、记...