Застосування електронних підсилювачів в медицині і їх типи, ilab
Макарова М. С. БМП-109.
Застосування електронних підсилювачів в медицині і їх типи.
1. Застосування підсилювачів в медицині.
У медичних приладах використовується багато різних типів підсилювачів, кожен з яких має специфічне призначення, наприклад підсилювач слабких біоелектричних потенціалів, що відводяться від тіла.
Мал. найпростіший підсилювач
Розглянемо схему простого підсилювача. Для позначення підсилювача на схемах зазвичай використовується трикутник, як показано на рис. Підсилювач, показаний на рис. має коефіцієнт посилення 10. Це означає, що при використанні вхідного сигналу напругою 1 В напруга вихідного сигналу дорівнює 10 В. Слід зазначити також, що деякі підсилювачі перевертають сигнал, так що вихідний сигнал являє собою звернену копію вхідного. В інших випадках вихідний сигнал правильно відтворює вхідний.
Коефіцієнт посилення підсилювачів, що використовуються в медичних приладах, зазвичай 100. 100 000. У деяких підсилювачах передбачені регулювання посилення або чутливості, які дозволяють вибирати необхідний коефіцієнт посилення. Калібрування була визначена раніше як регулювання приладу таким чином, щоб його вихідний відлік відповідав реальному значенню вимірюваної змінної. У загальному випадку калібрування включає і регулювання коефіцієнта посилення підсилювача.
Для посилення дуже малих сигналів при наявності електричних перешкод використовуються спеціальні підсилювачі, звані диференціальними.
Диференціальний підсилювач має три клеми, одна з яких є опорною для двох інших. Один вхідний сигнал може бути прикладений між клемою 1 і опорної, інший - між клемою 2 і опорної. При цьому вихідний сигнал є посиленою копією різниці двох вхідних сигналів, що і відбивається в назві «диференційний».
Мал. Диференціальний підсилювач, що підсилює різницевий сигнал 1В
Припустимо, що необхідно посилити напругу (різниця потенціалів) між двома ЕКГ електродами. На рис. показано, що електроди А і В підключені до клем 1 і 2 підсилювача відповідно. Третій електрод на нозі пацієнта служить опорним і підключається до опорної клеми підсилювача. Сигнал, який з'являється між електродом А і опорним, подається на вхід 1, сигнал, що виникає між електродом В і опорним електродом, - на вхід 2. Однак вимірюваний сигнал ЕКГ являє собою різницю потенціалів між електродами А і В. Оскільки вихідний сигнал являє собою посилену копію цієї різниці, то ми і отримуємо посилений вимірюваний сигнал. Однак кожен з двох ЕКГ електродів вловлює майже ідентичні напруги перешкод. При подачі їх на два входи диференціального підсилювача посилюється їх різницю. Так як різниця двох майже ідентичних значень дорівнює практично нулю, то заважають напруги віднімаються і посилюється тільки корисний сигнал (напруга між електродами А і В), хоча при цьому напруги перешкод на окремих входах можуть бути значно більше напруги корисного сигналу. Якщо два ЕКГ електрода просто підключити до входу і до опорної точці найпростішого підсилювача, то і сигнал ЕКГ і заважає напруга будуть посилюватися одночасно. І якщо перешкода буде більше корисного сигналу ЕКГ, то останній може бути просто втрачено.
Мал. Диференціальний підсилювач, який використовується для посилення сигналу ЕКГ (наведені на тіло сигнали однакові на обох входах підсилювача)
Напруга перешкоди однаково на клемах 1 і 2. На рис. показано віднімання однакових сигналів в диференціальному підсилювачі. Здатність такого підсилювача віднімати однакові сигнали, що надходять на його входи, називається режекциі загального сигналу. Ступінь, в якій підсилювач здатний зменшувати вплив загального сигналу на вихідний, називається коефіцієнтом режекции загального сигналу (КРОС). Чим вище цей коефіцієнт, тим більшою мірою підсилювач здатний зменшувати перешкоди. Типові значення КРОС для медичних підсилювачів досягають декількох сот тисяч. Якщо, наприклад, підсилювач має КРОС 100 000, то це означає, що він буде краще режектіровать загальний сигнал, ніж підсилювач, який має КРОС, рівний 1000. Типове значення КРОС для деяких медичних підсилювачів 50 000, проте високоякісні медичні підсилювачі можуть мати КРОС навіть 500 000. Розглянемо типовий диференційний підсилювач ЕКГ з коефіцієнтом посилення 1000 і КРОС 100 000. Поданий на нього різницевий сигнал буде посилюватися в 1000 разів. Однак загальний сигнал буде посилюватися тільки в 1/100 рази. Якщо КРОС дорівнює 200 000, то загальний сигнал буде посилюватися в 1/200 рази. Іншими словами, корисний сигнал (сигнал ЕКГ) буде відповідним чином посилюватися і може бути відображений на дисплеї, а що заважає загальний сигнал (в даному випадку шум), який може бути значно сильніше сигналу ЕКГ, буде придушуватися і не потрапить на екран дисплея. Важливо зрозуміти це основна відмінність: біопотенціали посилюються відповідно максимальним можливостям підсилювача, а шуми або загальні сигнали зменшуються пропорційно значенню КРОС. Теоретично для ідеального диференціального підсилювача КРОС повинен бути нескінченним, а шумовий сигнал дорівнює нулю. Якщо дві вхідні клеми диференціального підсилювача з'єднати разом і подати сигнал між ними і опорною точкою, то вихідний сигнал буде дорівнює нулю. На рис. показана схема ідеального диференціального підсилювача при подачі на його вхід загального сигналу.
Мал. Диференціальний підсилювач, режектірующій загальний сигнал, поданий на його входи
Режим роботи підсилювача істотно залежить від типу межкаскадной зв'язку. Найчастіше використовують підсилювачі постійного і змінного тока.Усілітелі постійного струму здатні збільшувати силу струму і напругу як постійного, так і змінного струму. Підсилювачі змінного струму призначені для збільшення сили і напруги змінного струму. Підсилювачі постійного струму використовують для збільшення постійної напруги або електричних коливань низької частоти. Найчастіше застосовують підсилювачі змінного струму відповідно до параметрів підсилюється електричного коливання, що передбачено технічними характеристиками відповідних підсилювачів.