microbik.ru
1
Электронные усилители

  1. Что такое усилители в медицине

Электронные усилители — это устройства для увеличения мощности электрических колебаний без изменения их формы при помощи электронных ламп или полупроводниковых триодов (транзисторов).

Устройства усиления напряжения, тока, мощности электрических колебаний без изменения их формы за счет энергии постороннего источника при помощи электронных ламп или полупроводниковых триодов (транзисторов) называются усилителем колебаний или просто электронными усилителями.

Принципиальные схемы простейшего усилителя напряжения представлены на рис.


Не вдаваясь в подробности работы усилителя, рассмотрим общие принципы усилителя напряжения.

  1. Колебания входного напряжения на сетке лампы создают пропорциональные колебания анодного тока (в случае использования транзистора колебания тока в цепи эммитер-коллектор).

  2. Изменяющийся анодный ток создает на нагрузочном сопротивлении R пульсирующее напряжение, состоящее из постоянной и переменной составляющей.

  3. Переменная составляющая этого напряжения, выделенная с помощью разделительного конденсатора, и является усиленным выходным напряжением.

Элементной основой усилителя является триод, вакуумный или полупроводниковый (транзистор). Принципиальные схемы и принцип работы вакуумного и транзисторного усилителей идентичны.

Принцип работы электронных усилителей, как и усилителей любого типа, состоит в том, что подлежащие усилению слабые колебания используются для управления потоком энергии, полученной от специального источника питания (батареи аккумуляторов, выпрямители и т. д.). В качестве управляемого элемента (переменного электрического сопротивления) служит электронная лампа, в которой расположены три металлических электрода — катод, анод и управляющая сетка. Для постоянного разогрева катода используют дополнительный источник энергии. Катод и анод лампы подключены во внешнюю цепь, содержащую источник питания и нагрузку. Усиливаемые колебания электрического напряжения подаются на входные клеммы между сеткой и катодом. При отсутствии сигнала на входе через лампу течет постоянный ток, а при изменении потенциала сетки по отношению к катоду увеличивается или уменьшается поток электронов (это равносильно изменению сопротивления лампы).
В зависимости от типа нагрузки (осциллографа) и выходной величины различают каскады (ступени) электронных усилителей: напряжения, тока и мощности. Практически с одного каскада можно получить усиление до 100— 200. При необходимости иметь большее усиление используют многокаскадные усилители, в которых выходные клеммы предыдущего каскада соединяются с входными клеммами последующего.
Получили распространение электронные усилители на полупроводниковых триодах (транзисторах). В простейшем случае схема включения транзистора аналогична схеме с электронной лампой. Во внешнюю цепь включают электроды: эмиттер (аналог катода) и коллектор (аналог анода), управляющим электродом является база (аналог сетки). Усиление по напряжению может достигать 100, а по мощности — до 1000 на один каскад. Преимуществами полупроводниковых триодов являются малые размеры, большой срок работы, отсутствие источников питания для накала (и поэтому мгновенная подготовка к работе), малое потребление энергии, что позволяет, например, изготовлять усилители и электронные стимуляторы объемом в несколько кубических сантиметров для вживления в грудную полость, сверхминиатюрные передатчики и других целей.

  1. Характеристики усилителей

Основными характеристиками электронных усилителей являются:

1) коэффициент усиления – главный параметр усилителя; Он показывает во сколько раз амплитуда выходного напряжения больше амплитуды входного напряжения.



Коэффициент усиления усилителя является безразмерной величиной, но его часто выражают в децибелах (логарифмических единицах).

Приведенные схемы усилителей являются однокаскадными. Для регистрации электрических сигналов одного каскада, как правило, бывает недостаточно. Поэтому используют усилители, состоящие из нескольких каскадов, которые подключаются последовательно друг с другом. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов.



В медицинских приборах наиболее часто применяют трех и четырех каскадные усилители

2) частотная и фазовая характеристики — графическое или табличное задание зависимости коэффициентов усиления и сдвига фазы колебаний от их частоты;

3) переходная характеристика — изображение формы усиленной кривой во времени при подаче на вход сигнала прямоугольной формы;

4) амплитудная характеристика — зависимость амплитуды колебаний на выходе от величины амплитуды на входе; Амплитудная характеристика усилителя может быть представлена графиком зависимости амплитуды выходящего сигнала от амплитуды входящего сигнала. На графике есть линейная часть кривой, которая переходит в нелинейное насыщение, которое является результатом ограничения величины блока питания. Для того, чтобы избежать искажений необходимо, чтобы амплитуда входных сигналов соответствовала линейной части амплитудной характеристики усилителя.

5) коэффициент нелинейности — отклонение амплитудной характеристики (в процентах) от прямой линии;

6) уровень шумов — величина эффективного напряжения собственных помех, отнесенного к входу усилителя.

При использовании усилителей в медицине важно, чтобы форма выходного напряжения соответствовала форме входного напряжения, говорят, чтобы усилитель не искажал усиливаемый сигнал. В противном случае будут возникать серьезные ошибки в диагностике заболеваний. Различают три вида искажения сигналов в усилителях: амплитудные, за счет сеточных токов, частотные. Эти искажения устраняются разработчи- ками усилителей, согласно представленной информации о параметрах усиливаемых сигналов. Частотные искажения связаны с так называемой полосой пропускания усилителей. Для каждого усилителя определяется частотная характеристика - это зависимость коэффициента усиления от частоты гармонического сигнала, подаваемого на вход усилителя. Частот- ная характеристика представлена в графической форме на рис.



Полоса частот от v1 до v2 в пределах которой коэффициент усиления практически не меняется, называется полосой пропускания усилителя. Биологические сигналы не являются гармоническими, однако их можно разложить на сумму гармоник, различающихся по частоте и амплитуде. Если все частоты гармоник входят в полосу пропускания, то искажений не будет. Если хотя бы одна гармоническая составляющая выходит за пределы полосы пропускания, то сигнал на выходе не будет соответствовать сигналу на входе, произойдет искажение сигнала. Так как биологические кривые различаются по гармоническому спектру, то усилители для одно- го сигнала, например ЭКГ, не могут использоваться для усиления другого вида сигналов - ЭЭГ, ЭМГ и др.

Для того, чтобы использовать усилители для усиления электрических потенциалов, возникающих в организме человека и животных, необходимо четко представлять себе биоэлектрическую активность органов человека и их характеристики.

Биоэлектрическая активность характеризуется следующими параметрами:

1. Диапазон амплитуд электрических колебаний составляет от единиц мкВ до единиц мВ.

2. Диапазон частот охватывает область частот от долей Гц до 10 кГц.

3. Внутреннее сопротивление ткани не является чисто активным и составляет порядка тысяч и десятков тысяч Ом.

Кроме этого при регистрации биопотенциалов приходится иметь дело со следующими особенностями:

а) регистрация биоэлектрических процессов, как правило, произво- дится при одновременной записи нескольких сигналов.

б) при регистрации объект находится в поле действия различного рода полей, которые иногда достигают большого уровня по сравнению с уровнем регистрируемого потенциала.

Весьма низкие амплитуды биопотенциалов с одной стороны и большие напряжения, которые необходимо подать на регистрирующие устройства, с другой стороны, заставляют конструировать усилители с большим коэффициентом усиления (до нескольких миллионов раз).

Малые входные напряжения приводят к тому, что в усилителях приходится считаться с собственными шумами входных каскадов, а из-за большого коэффициента усиления со склонностью таких усилителей к самовозбуждению.
Необходимость пропускания очень низких частот усложняет питание усилителя от одного общего источника питания. Это делает усилитель очень чувствительным к медленным изменениям напряжения источников питания, а работу усилителя неустойчивой.

В связи с большим сопротивлением ткани входное сопротивление усилителя должно быть большим.

Одновременная регистрация нескольких процессов на одном объ-екте приводит к тому, что входы усилителей оказываются соединенными между собой через сопротивление тканей.

Для борьбы с помехами экранируются как сам объект, так и вход-ные элементы усилителей и сами усилители.
Входные каскады усилителей должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Уровень собственных шумов должен быть очень низок.

2. Входное сопротивление каскада и собственно всего усилителя должно быть большим.

3. Каскад должен быть защищен от механических колебаний.

4. Схема каскада должна давать возможность производить регист-рацию нескольких процессов и без экранирующей камеры.

  1. Применение

Электронные усилители широко применяются в медицине для записи небольших по величине электрических потенциалов сердца, мышц и мозга человека. Они употребляются также для увеличения электрических сигналов от датчиков, управляемых различными функциями организма. Электронные усилители используются в таких многоканальных комплексах как электрографы и полиграфы в диагностических и научно-исследовательских целях.

Электронные усилители широко используются в биологических и медицинских исследованиях как составные части многих измерительных и регистрирующих приборов для повышения их чувствительности. Такая необходимость возникает, в частности, при измерении и регистрации биоэлектрической активности органов и тканей на осциллографах. Осциллографом называют любое устройство для регистрации колебательных процессов в координатах «отклонение — время». Осциллографы, используемые обычно в клинико-физиологических исследованиях, требуют для полного отклонения величины в десятки и сотни вольт напряжения (электроннолучевые, электромеханические или чернильнопишущие осциллографы) или десятков миллиампер тока (электронно-оптические, или шлейфные), что в тысячи и сотни тысяч раз превышает величину биоэлектрических колебаний. Это противоречие устраняется применением электронных усилителей. В соединении с измерительными преобразователями неэлектрических величин в электрические (датчики) электронные усилители позволяют регистрировать различные и весьма слабые биофизические и биохимические реакции и процессы в живом организме (пульсовые волны, тоны и шумы сердца, насыщение крови кислородом и др.) и передавать усиленные колебания по радио или телефону (телеметрия). Электронные усилители используются также в приборах для формирования и усиления электрических колебаний различной формы в целях воздействия на органы и ткани (электронные стимуляторы), а также для управления подачей световых и звуковых раздражителей (фотофоностимуляторы).

  1. Типы усилителей

В медицинских приборах используется много различных типов усилителей, каждый из которых имеет специфическое назначение, например усилитель слабых биоэлектрических потенциалов, отводимых от тела.

http://kzma.ru/node/prib-39.png

Рис. Простейший усилитель

Рассмотрим схему простого усилителя. Для обозначения усилителя на схемах обычно используется треугольник, как показано на рис.. Усилитель, показанный на рис., имеет коэффициент усиления 10. Это значит, что при подаче на вход сигнала напряжением 1 В напряжение выходного сигнала равно 10 В. Следует отметить также, что некоторые усилители перевертывают сигнал, так что выходной сигнал представляет собой обращенную копию входного. В других случаях выходной сигнал правильно воспроизводит входной.

Коэффициент усиления усилителей, используемых в медицинских приборах, обычно 100... 100 000. В некоторых усилителях предусмотрены регулировки усиления или чувствительности, которые позволяют выбирать требуемый коэффициент усиления. Калибровка была определена ранее как регулировка прибора таким образом, чтобы его выходной отсчет соответствовал реальному значению измеряемой переменной. В общем случае калибровка включает и регулировку коэффициента усиления усилителя.

Для усиления очень малых сигналов при наличии электрических помех используются специальные усилители, называемые дифференциальными. Дифференциальный усилитель  имеет три клеммы, одна из которых является опорной для двух других. Один входной сигнал может быть приложен между клеммой 1 и опорной, другой — между клеммой 2 и опорной. При этом выходной сигнал является усиленной копией разности двух входных сигналов, что и отражается в названии «дифференциальный».

http://kzma.ru/node/prib-40.png

Рис. Дифференциальный усилитель, усиливающий разностный сигнал 1 В

Предположим, что необходимо усилить напряжение (разность потенциалов) между двумя ЭКГ электродами. На рис. показано, что электроды А и В подключены к клеммам 1 и 2 усилителя соответственно. Третий электрод на ноге пациента служит опорным и подключается к опорной клемме усилителя. Сигнал, который появляется между электродом А и опорным, подается на вход 1, сигнал, возникающий между электродом В и опорным электродом, — на вход 2. Однако измеряемый сигнал ЭКГ представляет собой разность потенциалов между электродами А и В. Так как выходной сигнал представляет собой усиленную копию этой разности, то мы и получаем усиленный измеряемый сигнал. Однако каждый из двух ЭКГ электродов улавливает почти идентичные напряжения помех. При подаче их на два входа дифференциального усилителя усиливается их разность. Так как разность двух почти идентичных значений равна практически нулю, то мешающие напряжения вычитаются и усиливается только полезный сигнал (напряжение между электродами А и В), хотя при этом напряжения помех на отдельных входах могут быть значительно больше напряжения полезного сигнала. Если два ЭКГ электрода просто подключить ко входу и к опорной точке простейшего усилителя, то и сигнал ЭКГ и мешающее напряжение будут усиливаться одновременно. И если помеха будет больше полезного сигнала ЭКГ, то последний может быть просто потерян.

http://kzma.ru/node/prib-41.png

Рис. Дифференциальный усилитель, используемый для усиления сигнала ЭКГ (наведенные на тело сигналы одинаковы на обоих входах усилителя)

Напряжение помехи одинаково на клеммах 1 и 2. На рис. показано вычитание одинаковых сигналов в дифференциальном усилителе. Способность такого усилителя вычитать одинаковые сигналы, поступающие на его входы, называется режекцией общего сигнала. Степень, в которой усилитель способен уменьшать воздействие общего сигнала на выходной, называется коэффициентом режекции общего сигнала (КРОС). Чем выше этот коэффициент, тем в большей степени усилитель способен уменьшать помехи. Типичные значения КРОС для медицинских усилителей достигают нескольких сот тысяч. Если, например, усилитель имеет КРОС 100 000, то это означает, что он будет лучше режектировать общий сигнал, чем усилитель, имеющий КРОС, равный 1000. Типичное значение КРОС для некоторых медицинских усилителей 50 000, однако высококачественные медицинские усилители могут иметь КРОС даже 500 000. Рассмотрим типичный дифференциальный усилитель ЭКГ с коэффициентом усиления 1000 и КРОС 100 000. Поданный на него разностный сигнал будет усиливаться в 1000 раз. Однако общий сигнал будет усиливаться только в 1/100 раза. Если КРОС равен 200 000, то общий сигнал будет усиливаться в 1/200 раза. Другими словами, полезный сигнал (сигнал ЭКГ) будет соответствующим образом усиливаться и может быть отображен на дисплее, а мешающий общий сигнал (в данном случае шум), который может быть значительно сильнее сигнала ЭКГ, будет подавляться и не попадет на экран дисплея. Важно понять это основное различие: биопотенциалы усиливаются соответственно максимальным возможностям усилителя, а шумы или общие сигналы уменьшаются пропорционально значению КРОС. Теоретически для идеального дифференциального усилителя КРОС должен быть бесконечным, а шумовой сигнал равен нулю. Если две входные клеммы дифференциального усилителя соединить вместе и подать сигнал между ними и опорной точкой, то выходной сигнал будет равен нулю. На рис. показана схема идеального дифференциального усилителя при подаче на его вход общего сигнала.

http://kzma.ru/node/prib-42.png

Рис. Дифференциальный усилитель, режектирующий общий сигнал, поданный на его входы

 
Режим работы усилителя существенно зависит от типа межкаскадной связи. Чаще всего используют усилители постоянного и переменного токаУсилители постоянного тока способны увеличивать силу тока и напряжение как постоянного, так и переменного тока. Усилители переменного тока предназначены для увеличения силы и напряжения переменного тока.

Усилители постоянного тока используют для увеличения постоянного напряжения или электрических колебаний низкой частоты. Чаще применяют усилители переменного тока в соответствии с параметрами усиливаемого электрического колебания, что предусмотрено характеристиками соответствующих усилителей.