Analysis and Application of Analog Electronic Circuits to Biomedical Instrumentation（類比電子電路於生醫儀器的分析與應用）

引用

Northrop, R. B. (2012). Analysis and Application of Analog Electronic Circuits to Biomedical Instrumentation (2nd ed.). CRC Press.

章節概要

全書共十五章，另有附錄、術語表以及參考文獻與推薦閱讀。出版社說明每章都有引言和章末小結。第二版新增三章（功率放大器、無線患者監護，以及RFID、GPS和超聲標籤），並增加了術語表和新的章末習題與示例。下面的章名依據出版社的目錄；編號按各章在目錄中出現的順序。

第1章：生物醫學訊號的來源與特性

開篇一章介紹內源性生物電訊號的來源（神經和肌肉動作電位、心電圖及其他生物電位）、生物電極的電學特性以及外源性生物電訊號。它給出了後面的電路必須調理的各類訊號。

第2章：類比電子系統中所用半導體器件的特性與模型

本章涉及pn結二極體、雙極型和場效應電晶體的中頻模型、電晶體的高頻模型與簡單電晶體放大器，以及光子、光電二極體、光電導器件、LED和雷射二極體。

第3–5章：差分放大器；電子單環反饋系統的一般特性；反饋、頻率響應與放大器穩定性

第3章討論差分放大器的電路結構、共模抑制比、高頻增益、輸入電阻、訊號源阻抗對低頻CMRR的影響，以及如何用運算放大器構成醫學應用的差分放大器。第4章對電子反饋系統分類，並說明負電壓反饋、負電流反饋和正電壓反饋的作用。第5章回顧放大器的頻率響應，說明反饋穩定性的含義，並把根軌跡用於反饋放大器設計和「線性」振盪器設計。

第6–7章：運算放大器與比較器；模擬有源濾波器導論

第6章涉及理想與實際運放、電壓反饋與電流反饋運放的增益頻寬關係、模擬電壓比較器以及在生物醫學中的若干應用。第7章介紹有源濾波器的應用和類型，包括電子可調濾波器。

第8–9章：儀表放大器與醫用隔離放大器；生物醫學應用中的噪聲與低噪聲訊號調理系統設計

第8章涉及儀表放大器、醫用隔離放大器、醫用電子放大器的安全標準和醫用級電源。第9章是關於噪聲的長篇論述：隨機噪聲的描述量、噪聲通過線性時不變濾波器的傳播、噪聲係數與噪聲指數、級聯噪聲放大器、差分放大器中的噪聲、反饋對噪聲的影響、受噪聲限制的解析度的例項、若干低噪聲放大器，以及「低噪聲訊號調理系統設計的藝術」。

第10–12章：數字介面；生物醫學訊號的調變與解調；功率放大器及其在生物醫學中的應用

第10章涉及混疊與取樣定理、數模轉換器、取樣保持電路、模數轉換器和量化噪聲。第11章講調幅、調相和調頻及其解調，以及數字載波的調變。第12章涉及功率輸出器件、功率放大器的類別與效率、D類放大器、非線性與失真、積體電路穩壓器和散熱。

第13–14章：無線患者監護；生態研究中使用的RFID標籤、GPS標籤和超聲標籤

第13章涉及無線患者監護中的感測器與訊號、調變、射頻通訊協議、UHF發射機與天線、完整系統、無線監護如何降低患者微電擊的機率，以及隱私。第14章涉及RFID標籤的應用、標籤設計與讀取器，以及GPS標籤和漁業生物學中的超聲標籤。

第15章：生物醫學儀器中使用的特殊類比電路與系統例項

最後一章講相敏整流器、鑑相器、壓控與流控振盪器、鎖相環、真有效值轉換器和積體電路溫度感測器，並以三個醫療儀器系統的例項結束。

核心概念

第1–5章：訊號、器件與反饋

• 生物電訊號與生物電極：心電圖等訊號的特性，以及拾取它們的電極的特性，決定了電路必須滿足的要求。
• 共模抑制比：差分放大器抑制同時出現在兩個輸入端的干擾的能力。
• 負反饋與穩定性：反饋如何改變增益、輸入輸出電阻和頻率響應，以及何時變得不穩定；根軌跡作為設計工具。

第6–9章：放大器、濾波器、隔離與噪聲

• 運算放大器：作為基本構件的理想與實際運放，及其增益頻寬的限制。
• 有源濾波器：濾波器類型及其在生物醫學訊號上的應用。
• 隔離與安全：隔離放大器、安全標準和醫用級電源。
• 噪聲係數與噪聲指數：衡量放大器引入多少噪聲，以及噪聲在級聯各級中如何累積。

第10–15章：介面、傳輸與特殊電路

• 取樣、混疊與量化噪聲：訊號轉換為數字形式時的限制。
• 調變：用正弦或數字載波傳送生物醫學訊號。
• D類放大：開關式功率放大器及其效率。
• 無線患者監護：協議、天線、微電擊與隱私。
• 鎖相環與相敏檢測：用於恢復訊號的特殊電路。

評析

優點

• 一條完整的訊號鏈。 全書沿著從訊號源（第1章）和器件（第2章），經過放大器、反饋、濾波器、隔離、噪聲、轉換和傳輸的路徑展開，每個電路模組都被作為記錄系統的一部分來說明。
• 對噪聲論述充分。 第9章有九節講噪聲，從隨機噪聲的描述量一直到低噪聲設計，出版社還強調了描述噪聲及其在線性系統中傳播的數學工具。
• 醫療安全內容內建於書中。 隔離放大器、安全標準、醫用級電源以及無線監護中的微電擊風險，都作為獨立主題出現。
• 有助於學習的內容。 第二版包含一個涵蓋電子學、生理學和生物化學術語的術語表、新的章末習題與示例，以及每章的引言與小結。

侷限

• 以模擬為主。 數字轉換隻用一章講述。目錄中沒有數字訊號處理和儀器軟體。
• 感測器內容少。 除生物電極、光子器件和積體電路溫度感測器外，目錄中沒有關於壓力、流量或化學測量感測器的章節；這些需要一本通用的儀器學教材。
• 部分章節面向更窄的讀者。 第14章講用於生態研究（如漁業生物學）的標籤，對專注臨床儀器的讀者用處可能有限。
• 先修要求高。 根軌跡、噪聲分析和運放設計等主題要求具備本科的電路分析與電子學、拉普拉斯變換以及基礎的訊號與系統知識。
• 協議內容已不新。 本書出版於2012年，無線一章所講的Wi-Fi和藍牙反映的是當時的情形。

在課程中的定位

Northrop的書是對生物醫學儀器中放大與訊號調理環節的專門論述。Christe的《Introduction to Biomedical Instrumentation》是介紹醫院裝置的易讀入門書，Webb的《Principles of Biomedical Instrumentation》按步驟講解儀器從感測器到安全測試的設計。Webster和Nimunkar的《Medical Instrumentation: Application and Design》是涵蓋感測器、放大器與訊號調理、再到臨床測量的標準工程教材，Togawa、Tamura和Öberg的《Biomedical Sensors and Instruments》則按被測量來組織。

應先讀一本更寬泛的教材。Northrop隨後提供那些書只用一兩章概括的電子學、噪聲與反饋方面的深度；當設計問題涉及放大器選型、噪聲預算或隔離時，這是值得回頭查閱的一本。

如何使用本書

本書面向設計或分析記錄電子電路的生物醫學工程研究生和在職工程師。本科的電路分析與電子學、拉普拉斯變換以及基礎的訊號與系統知識，是實際的先修內容。

實用的讀法：

• 核心： 第1、3、4–6、8和9章，涉及訊號、差分與反饋放大器、運放、隔離和噪聲。
• 濾波器與轉換： 根據應用需要讀第7章和第10章。
• 按興趣選讀： 第2章作為器件複習；第11–15章講調變、功率放大器、無線監護和特殊電路。
• 利用習題和術語表。 做章末習題，遇到不熟悉的術語就查術語表。