Оглавление

Лекция 1 4

Методики БМИ 4

Биопотенциалы 5

Амплитудно-частотные соотношения БП 5

Примеры сигналов 6

Распространение биосигнала 6

Помехи при усилении БП 6

Входной каскад (ВК) УБП 7

Схема замещения ВК УБП 7

Биполярная схема отведения БП 8

Переход «Электрод – кожа» 8

Поляризация в ПЭК 9

Контакт БО-УБП 9

Электрохимические явления в ПЭК 9

Переход Электрод-Кожа 10

Эквивалентные схемы БО 10

Электроды 10

Входная цепь 11

Усилители БП 11

Каскады УБП 11

АЧХ 12

Параметры УБП 12

Изолирующие УБП 12

ДК на транзисторах 12

Операционный усилитель 13

Входной каскад УБП 13

ДК на транзисторах 14

Артефакты ЭКГ 15

Лекция 2 СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ОУ НА УБП 18

ИДЕАЛЬНЫЙ ОУ 19

ПРАВИЛО ВХОДНЫХ ЦЕПЕЙ 20

ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В ОУ 20

КОЭФФИЦИЕНТЫ УСИЛЕНИЯ В ООС 21

РАСЧЕТ КАСКАДА ОУ 21

НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ 21

РАСЧЕТ НЕИНВЕРТИРУЮЩЕГО УСИЛИТЕЛЯ 22

ПОВТОИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ 22

МОДИФИКАЦИЯ ПОВТОРИТЕЛЯ 23

ИНВЕРТИРУЮЩИЙ ОУ (1) 23

ФОТОДИОДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 25

СУММИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ (инвертирующий) 26

ПОЛУЧЕНИЕ СРЕДНЕГО СИГНАЛОВ 26

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 28

ПРИНЦИП СУПЕРПОЗИЦИИ 28

РАСЧЕТ ДУ (шаг 1) 28

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 30

РАСЧЕТ ИУ (1) 30

Лекция 3 ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАЛЬНОГО ОУ 33

Идеальный ОУ 33

РЕАЛЬНЫЙ ОУ 33

При проектировании БМУ 33

СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ ОУ 34

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОУ 34

ВХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ СМЕЩЕНИЯ 35

ВХОДНОЙ ТОК 35

ВХОДНОЙ ТОК СМЕЩЕНИЯ 36

ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ 36

ВЫХОДНЫЕ СТАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ 36

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ОУ 37

ВХОДНОЕ И ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ОУ 38

ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ДЛЯ ИНВЕРТИРУЮЩЕГО ОУ 39

ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ДЛЯ ИНВЕРТИРУЮЩЕГО ОУ (СЛЕДСТВИЕ) 39

ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ДЛЯ НЕИНВЕРТИРУЮЩЕГО ОУ 40

ВЛИЯНИЕ СМЕЩЕНИЯ НА ВЫХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ 40

ВЛИЯНИЕ ВХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ 41

ВЛИЯНИЕ ВХОДНОГО ТОКА 42

МИНИМИЗАЦИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ 42

ВЛИЯНИЕ ВХОДНОГО ТОКА СМЕЩЕНИЯ 43

УСТАНОВКА НУЛЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ 43

ВНЕШНЯЯ РЕГУЛИРОВКА ПОТЕНЦИОМЕТРОМ 43

ДЛЯ ОУ, НЕ ИМЕЮЩИХ ВЫВОДОВ ДЛЯ ПОДКЛЮЧНИЯ ПОТЕНЦИОМЕТРА 44

КОЭФФИЦИЕНТ ОСЛАБЛЕНИЯ СИНФАЗНОГО СИГНАЛА 44

СПОСОБЫ УВЕЛИЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОСЛАБЛЕНИЯ СИНФАЗНОГО СИГНАЛА 45

НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ 45

ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ОУ 45

ПЛОЩАДЬ УСИЛЕНИЯ 46

ВЛЯНИЕ СКОРОСТИ СПАДА АЧХ 47

КОРРЕКЦИЯ ЧАСТОТЫ 47

ВЫВОДЫ 48

Лекция 4 ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ В УБП 48

ПРИМЕНЯЕМЫЕ СХЕМЫ ДУ 48

ПАРАМЕТРЫ УСИЛИТЕЛЕЙ ДИФФ. СИГНАЛА 49

ДУ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ 49

ПОДАЧА СИНФАЗНОГО СИГНАЛА 50

ПОДАЧА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ 51

КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ И ОСЛАБЛЕНИЯ СИНФАЗНОГО СИГНАЛА 52

ДУ В РЕЖИМЕ БОЛЬШОГО СИГНАЛА 52

ГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ 52

ДУ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ 53

ДУ НА ПТ В РЕЖИМЕ МАЛОГО СИГИНАЛА 54

ДУ НА ПТ В РЕЖИМЕ БОЛЬШОГО СИГНАЛА 54

ОПИСАНИЕ ЭКГ ЭК1Е04 (017) 55

ДУ НА ОДНОМ ОУ 56

МОДИФИКАЦИЯ СХЕМЫ ДУ НА ОДНОМ ОУ 57

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ ДУ НА ТРЕХ ОУ 58

МНОГОВХОДОВОЙ ДУ 59

РАСЧЕТ МНОГОВХОДОВОГО ДУ 60

Выводы: 61

Лекция 5 63

Шумы в схемах УБП 63

Источники внешнего шума 63

Шум Джонсона 63

Внешний шум в схеме усилителя 64

Внутренние источники шума 64

Спектральная плотность шума 64

Модель с некоррелированными генераторами случайного шума 64

Приведенное к входу шумовое напряжение 65

Приведенный к входу токовый шум 65

Дробовой шум 66

Фликкер – шум 66

Попкорн – шум 66

Разновидности источников шума 67

Суммирование источников шума 67

Принцип суммирования 68

Упрощение схемы шумов усилителя 68

Шумовое усиление 68

Сравнение усиления сигнала и шумовое усиление 69

Выбор малошумящего ОУ 70

Применение графика на практике 71

Вклад шумов ОУ 71

Пути устранения мешающих сигналов 71

Усилители низкой частоты 72

Характеристики ОУ для УНЧ 72

Особенности реализации УНЧ 72

УНЧ на основе инвертирующего усилителя 73

УНЧ на основе неивертирующего усилителя 74

Дифференциальный усилитель низкой частоты 74

Сравнение инвертирующего и неинвертирующего усилителей 74

Предусилители 75

Типы звукоснимателей 75

Стандартная АЧХ для звукоснимателей 76

АЧХ ОУ без ООС 76

Пример схемы предусилителя 77

Лекция 1

Методики БМИ

Биомедицинские исследования (БМИ):

• ЭКГ,ЭЭГ,ЭМГ,Электроокулография ЭОГ, Электроретинография ЭРГ, КГР

-графия = регистрация БП

-грамма = временная зависимость БП

Биопотенциалы

Функциональное состояние тканей определяется их электрической активностью. Биологический объект (БО) = эквивалентный электрический генератор биопотенциалов (БП), его свойства U(t), Rвн.

Диапазон БП: 5 кмВ – 120мВ,

Для ЭКГ

Амплитудно-частотные соотношения БП

Примеры сигналов

Распространение биосигнала

СФ (синфазный) сигнал действует с одной и той же фазой на точки Xи Yприложения сигнала. ПФ сигнал (дифференциальный разностный) действует с противоположной фазой. Помеха приложена синфазно, полезный сигнал – противофазно. Подавляют СФ сигнал: дифференциальный приемник сигнала, трансформатор, схемы гальваноразвязки на разных физических принципах. Компенсируют ПФ сигнал по отношению к СФ: линейные мостовые балансные схемы.

Помехи при усилении бп

• Нестабильность Rвн на переходе кожа-электрод ->разбаланс межэлектродных сопротивлений;

• Наличие U поляризации электродов (до 300мкВ) -> насыщение усилителя;

• Дрейф и скачки Uполяризации при движении пациента;

• Синфазные и дифференциальные помехи: биологические (БЭА других органов) и физические (напряжение от сетевой проводки и шнуров – до 5-10В, 50 Гц);

• Импульсные помехи от терапевтических аппаратов (ЭКС, ДФб);

• Линейные, нелинейные и динамические искажения, вносимые измерительным трактом усилителя БП (УБП)

Входной каскад (ВК) УБП

Системы отведений: Монополярная – один активный и один пассивный электроды; Биполярная – два активных электрода и один индифферентный.

Схема замещения ВК УБП

Биполярная схема отведения БП

Переход «Электрод – кожа»

Скачок эл/тока до :

Поляризационная емкость (встречная ЭДС поляризации):

В установившемся режиме:

Поляризация в ПЭК

1. Химическая поляризация, связанная с химической природой электродов.

2. Электрохимическая поляризация, вызываемая замедлением электродной реакции.

3. Концентрационная поляризация, вызываемая изменением концентрации потенциалопередающих ионов у электродов.

Контакт БО-УБП

Нестабильность и неопределенность

Если

Условие: входное сопротивление УБП должно в 10…20 раз превышать наиболее возможное внутреннее сопротивление БО (0,2…20 мОм и более).

Электрохимические явления в ПЭК

Импеданс Варбурга – полное электродное сопротивление, определяет медленный диффузионный ток носителей заряда к границе раздела 2-х фаз:

Где , зависит от диффузии (Ом* ; частота (Гц).

Полный импеданс электродной системы:

Переход Электрод-Кожа

Эквивалентные схемы БО

а – в низкочастотном диапазоне;

б – при изучении поверхностных слоев кожи и подкожной клетчатки;

в – мышечных тканей в сочетании с компонентами жир, кровь и т.д.

г – более глубоких слоев тела и внутренних органов;

д – для внутричерепной области.

Электроды

Абсолютно поляризуемые электроды – заряд не пересекает границу раздела. Инертные металлы (Rt, Au) – электрод = электрический конденсатор.

Абсолютно неполяризуемые – заряды пересекают границу раздела между металлом и раствором, не требуя энергии для такого перемещения.

Хлорсеребряный электрод (AgCl) каломельный (Hg2Cl2)

Входная цепь

Кабель пациента (КП) – в виде двойного экранированного провода либо 2-ух коаксиальных экранированных проводов 1,5 … 10м.

Усилители БП

Усилитель БП (УБП) – усилитель, используемый для обработки биоэлектрического сигнала.

1. Маломощные УБП с для обеспечения изоляции, в качестве буфера или трансформатора сопротивления между источником сигнала и входом прибора.

2. УБП средней мощности с – для записи ЭКГ, ЭМГ и т.д.

3. Мощные УБП (малосигнальные) с высокочувствительные измерители (ЭЭГ)

Каскады УБП

• Входной каскад – по схеме ДК. Требования: малый входной ток смещения, высокое входное сопротивление, большой коэффициент усиления, большой коэффициент подавления синфазного сигнала, малое напряжение смещения и т.п.

• Промежуточный каскад – обеспечивает дополнительное усиление по току или напряжению, также на основе ДК.

• Вспомогательный каскад – схема сдвига уровня постоянного напряжения в сторону уменьшения для обеспечения требуемого режима работы выходного каскада (схема с общим коллектором).

• Выходной каскад – усилитель мощности и должен обеспечивать минимальное выходное сопротивление, по двухтактной схеме (эмиттерные или истоковые повторители).

АЧХ

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – зависимость коэффициента усиления от частоты входного сигнала.

Полоса пропускания – диапазон частот между верхней и нижней граничными частотами, в пределах которого коэффициент усиления изменяется в заданных пределах (не более 3дБ).