Лекція 19 підсилювачі
2. Характеристики підсилювача.
3. Особливості посилення біоелектричних сигналів.
4. Генератори, їх класифікація та використання в медицині.
5. Основні поняття і формули.
До складу багатьох медичних електронних приладів і апаратів входять підсилювачі. Їх застосовують для збільшення амплітуди слабких сигналів в системах, які реєструють медико-біологічну інформацію.
Підсилювач електричних сигналів (електронний підсилювач) - пристрій, що збільшує ці сигнали без істотної зміни їх форми.
Залежно від цілей розрізняються підсилювачі по напрузі, силі струму, потужності. Надалі все визначення і висновки будуть ставитися до підсилювача по напрузі. Функціональна схема такого підсилювача показана на рис. 19.1. На вхідні клеми підсилювача подається напруга Uвх. Електронна схема підсилювача забезпечує збільшення його амплітуди за рахунок електроенергії, що надходить від
Мал. 19.2. Функціональна схема медичного приладу з підсилювачем
зовнішнього джерела. Посилений сигнал U вих знімається з вихідних клем.
Підсилювач може бути виконаний у вигляді окремого блоку або входити до складу медичного приладу (рис. 19.2). В останньому випадку сигнал від датчика надходить на підсилювач. Посилений сигнал надходить на пристрій, що перетворює електричний сигнал до вигляду, придатного для відображення, а потім на пристрій відображення інформації, наприклад на рідкокристалічний дисплей.
19.2. характеристики підсилювача
Будь-періодичний сигнал може бути представлений у вигляді суми синусоїдальних сигналів, частоти яких кратні його частоті (таке уявлення для сигналу, що надходить від датчиків при зніманні електрокардіограми, було показано на рис. 13.11). З цієї причини все властивості підсилювача вивчаються для гармонійних сигналів з різними частотами і амплітудами.
Найважливішими характеристиками підсилювача є коефіцієнт посилення і смуга пропускання.
Кількісною оцінкою самого ефекту посилення є коефіцієнт посилення.
Коефіцієнт посилення дорівнює відношенню амплітуди вихідного сигналу до амплітуди вхідного гармонійного сигналу:
Цю величину визначають за експериментальною амплітудної характеристиці підсилювача.
Амплітудна характеристика підсилювача - залежність амплітуди вихідного сигналу від амплітуди вхідного гармонійного сигналу.
Для підсилювача по напрузі амплітудна характеристика видається залежністю Umвих = f (Um вх). Зразковий вид цієї залежності показаний на рис. 19.3.
Для незмінності форми сигналу коефіцієнт посилення повинен бути однаковий в діапазоні можливих значень амплітуд вхідного сигналу. Цій вимозі відповідає лінійний ділянку амплітудної характеристики, виділений суцільною лінією. За лінійному ділянці і визначається коефіцієнт посилення.
При посиленні сигналу складної форми в його спектрі можуть виявитися гармоніки, амплітуди яких виходять за межі робочої ділянки (U1. U2). У цьому випадку форма вихідного сигналу буде відрізнятися від форми вхідного, тобто виникнуть нелінійні (амплітудні) спотворення.
Відзначимо, що при розробці медичних приладів можливі амплітуди вхідних сигналів, як правило, відомі. Тому амплітудні спотворення зводяться до мінімуму конструктивними методами.
До складу підсилювачів входять реактивні елементи (котушки індуктивності і конденсатори), опору яких залежать від частоти. Тому залежить від частоти і коефіцієнт посилення. Ця залежність називається частотною характеристикою підсилювача.
Частотна характеристика підсилювача - залежність коефіцієнта посилення від частоти гармонічного сигналу: К = f (v).
Зразковий вид частотної характеристики показаний на рис. 19.4.
Внаслідок залежності коефіцієнта посилення від частоти різні гармоніки в спектрі складного сигналу посилюються по-різному, що призводить до спотворення його форми. Ці спотворення називають лінійними або частотними.
У радіотехніці прийнято вважати, що в області, де коефіцієнт підсилення не менше 0,7 від максимального значення (К ≥ 0,7Kmax), лінійні спотворення несуттєві. Тому діапазон частот v1 -v2 називають смугою пропускання підсилювача.
Смуга пропускання підсилювача - це інтервал частот, в якому лінійні спотворення несуттєві: До ≥ 0,7Kmax.
Нижня межа смуги пропускання визначається частотою біологічного процесу і може бути обрана належним чином конструктивно. З верхньою межею справа йде складніше. Теоретично число гармонік в спектрі складного сигналу нескінченно. Тому завжди знайдуться гармоніки, але вони не попадають в смугу пропускання. Так що лінійні спотворення теоретично не підлягають ремонту. Однак на практиці амплітуди вищих гармонік настільки малі, що їх втрата не має значення.
19.3. Особливості посилення біоелектричних
Біоелектричні сигнали зазвичай дуже малі, тому для їх реєстрації необхідно використовувати підсилювач. Розглянемо посилення сигналу, який знімається електродами з біологічного об'єкта.
Специфіка підсилювачів біопотенціалів визначається особливостями биопотенциалов:
• біопотенціали - повільно змінюються сигнали, тому смуга пропускання підсилювача повинна охоплювати всі низькі частоти;
• біопотенціали - слабкі сигнали, тому коефіцієнт посилення повинен бути досить великий;
• опір біологічної системи спільно з опором електродів, як правило, велике, тому підсилювач повинен функціонувати при слабких токах.
Низька частота біоелектричних сигналів обумовлює використання спеціальних підсилювачів постійного струму.
19.4. Генератори, їх класифікація та використання в медицині
Велика група медичних апаратів, які використовуються в медицині, являє собою по суті, генератори різноманітних електромагнітних коливань.
Генератори - пристрої, які перетворюють енергію джерел постійної напруги в енергію електромагнітних коливань різної форми.
• за формою сигналу: генератор гармонійних коливань і генератор коливань спеціальної форми (імпульсні коливання);
• по частоті генеруються сигналів;
• по вихідний потужності;
• за принципом роботи: генератор з самозбудженням і генератор із зовнішнім збудженням.
Генератори гармонійних коливань
Такі генератори є автоколивальними системами з позитивним зворотним зв'язком, яка здійснюється за допомогою транзистора або тріода. Коливання необхідної частоти створюються коливальним контуром, а енергія надходить від джерела постійної напруги через зворотний зв'язок.
Для генерації негармонійних коливань широко застосовуються генератори релаксаційного типу, в яких використовуються процеси зарядки і розрядки конденсатора.
На малюнку 19.5 показана принципова схема такого генератора. Джерелом енергії є батарея постійного струму, а зворотний зв'язок здійснюється за допомогою газорозрядної лампи. Така лампа запалюється при деякому напруги «запалювання» Uз і гасне при напрузі «гасіння» Uг. Uг 
Після замикання ключа До почнеться зарядка конденсатора, і напруга на його пластинах буде наростати за законом U = εі [1 - exp (-t / τ)]. Постійна часу для цього процесу відносно велика: τ = (R + r) C. У той момент, коли напруга на ньому досягне Uз. виникає газовий розряд, лампа загоряється і її опір падає майже до 0. Пластини конденсатора виявляються замкнутими, і він почне розряджатися через палаючу лампу. Постійна часу для цього процесу відносно мала. Коли напруга знизиться до величини Uг. розряд гасне і лампа переходить в непроводящее стан. Після цього знову почнеться зарядка і т.д. В системі виникнуть релаксаційні коливання напруги на конденсаторі без зміни полярності пластин.
Період і форма таких коливань залежать від величин R, r, C, Uз. Uг.
Генератори релаксаційних коливань використовують для отримання імпульсних струмів різної форми.
Генератори, що використовуються в медицині
Ампліпульстерапія - генератор відповідного апарату створює синусоїдальні струми на частоті 5000 Гц, модульовані по амплітуді низькою частотою в межах 10-150 Гц (апарати «Стимул»). Вибір основної частоти 5000 Гц пов'язаний з тим, що на цій частоті опір шкіри дуже мало. Це забезпечує гарне проникнення струму в глиб тканин.
Флюктуоризація - генератор відповідного апарату створює синусоїдальний струм малої сили і невеликого напруги, безладно мінливого по амплітуді і частоті в межах
Електросон - генератор відповідного апарату створює імпульсний струм низької частоти і малої сили з імпульсами прямокутної форми (апарати «електросон»).
Діадинамотерапія - генератор відповідного апарату створює струм з імпульсами напівсинусоїдальної форми (апарат «Тонус»).
Електростимуляція - генератор відповідного приладу створює імпульсні струми (зокрема, імпульси експоненціальної форми) для відновлення функції нервово-м'язового апарату людини (апарати АСМ).
19.5. Основні поняття і формули