ЛЕКЦИЯ 19 УСИЛИТЕЛИ. ГЕНЕРАТОРЫ

1. Усилители.

2. Характеристики усилителя.

3. Особенности усиления биоэлектрических сигналов.

4. Генераторы, их классификация и использование в медицине.

5. Основные понятия и формулы.

19.1. Усилители

В состав многих медицинских электронных приборов и аппаратов входят усилители. Их применяют для увеличения амплитуды слабых сигналов в системах, регистрирующих медико-биологическую информацию.

Усилитель электрических сигналов (электронный усилитель) - устройство, увеличивающее эти сигналы без существенного изменения их формы.

В зависимости от целей различаются усилители по напряжению, силе тока, мощности. В дальнейшем все определения и выводы будут относиться к усилителю по напряжению. Функциональная схема такого усилителя показана на рис. 19.1. На входные клеммы усилителя подается напряжение U_вх. Электронная схема усилителя обеспечивает увеличение его амплитуды за счет электроэнергии, поступающей от

Рис. 19.1. Функциональная схема усилителя

Рис. 19.2. Функциональная схема медицинского прибора с усилителем

внешнего источника. Усиленный сигнал U_вых снимается с выходных клемм.

Усилитель может быть выполнен в виде отдельного блока или входить в состав медицинского прибора (рис. 19.2). В последнем случае сигнал от датчика поступает на усилитель. Усиленный сигнал поступает на устройство, преобразующее электрический сигнал к виду, пригодному для отображения, а затем на устройство отображения информации, например на жидкокристаллический дисплей.

19.2. Характеристики усилителя

Любой периодический сигнал может быть представлен в виде суммы синусоидальных сигналов, частоты которых кратны его частоте (такое представление для сигнала, поступающего от датчиков при съеме электрокардиограммы, было показано на рис. 13.11). По этой причине все свойства усилителя изучаются для гармонических сигналов с различными частотами и амплитудами.

Важнейшими характеристиками усилителя являются коэффициент усиления и полоса пропускания.

Коэффициент усиления

Количественной оценкой самого эффекта усиления является коэффициент усиления.

Коэффициент усиления равен отношению амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного гармонического сигнала:

Эту величину определяют по экспериментальной амплитудной характеристике усилителя.

Амплитудная характеристика усилителя - зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного гармонического сигнала.

Для усилителя по напряжению амплитудная характеристика представляется зависимостью U_{m вых} = f(U_{m вх} ). Примерный вид этой зависимости показан на рис. 19.3.

Для неизменности формы сигнала коэффициент усиления должен быть одинаков в диапазоне возможных значений амплитуд входного сигнала. Этому требованию соответствует линейный участок амплитудной характеристики, выделенный сплошной линией. По линейному участку и определяется коэффициент усиления.

При усилении сигнала сложной формы в его спектре могут оказаться гармоники, амплитуды которых выходят за границы рабочего участка (U₁, U₂). В этом случае форма выходного сигнала будет отличаться от формы входного, т.е. возникнут нелинейные (амплитудные) искажения.

Отметим, что при разработке медицинских приборов возможные амплитуды входных сигналов, как правило, известны. Поэтому амплитудные искажения сводятся к минимуму конструктивными методами.

Рис. 19.3. Амплитудная характеристика усилителя напряжения

Полоса пропускания

В состав усилителей входят реактивные элементы (катушки индуктивности и конденсаторы), сопротивления которых зависят от частоты. Поэтому зависит от частоты и коэффициент усиления. Эта зависимость называется частотной характеристикой усилителя.

Частотная характеристика усилителя - зависимость коэффициента усиления от частоты гармонического сигнала: К = f(v).

Примерный вид частотной характеристики показан на рис. 19.4.

Вследствие зависимости коэффициента усиления от частоты различные гармоники в спектре сложного сигнала усиливаются поразному, что приводит к искажению его формы. Эти искажения называют линейными или частотными.

В радиотехнике принято считать, что в области, где коэффициент усиления не менее 0,7 от максимального значения (К ≥ 0,7K_max), линейные искажения несущественны. Поэтому диапазон частот v₁-v₂ называют полосой пропускания усилителя.

Полоса пропускания усилителя - это интервал частот, в котором линейные искажения несущественны: К ≥ 0,7K_max.

Нижняя граница полосы пропускания определяется частотой биологического процесса и может быть выбрана должным образом конструктивно. С верхней границей дело обстоит сложнее. Теоретически число гармоник в спектре сложного сигнала бесконечно. Поэтому всегда найдутся гармоники, не попадающие в полосу пропускания. Так что линейные искажения теоретически неустранимы. Однако на практике амплитуды высших гармоник столь малы, что их потеря не имеет значения.

Рис. 19.4. Частотная характеристика усилителя

19.3. Особенности усиления биоэлектрических

сигналов

Биоэлектрические сигналы обычно весьма малы, поэтому для их регистрации необходимо использовать усилитель. Рассмотрим усиление сигнала, который снимается электродами с биологического объекта.

Специфика усилителей биопотенциалов определяется особенностями биопотенциалов:

•  биопотенциалы - медленно изменяющиеся сигналы, поэтому полоса пропускания усилителя должна охватывать все низкие частоты;

•  биопотенциалы - слабые сигналы, поэтому коэффициент усиления должен быть достаточно велик;

•  сопротивление биологической системы совместно с сопротивлением электродов, как правило, велико, поэтому усилитель должен функционировать при слабых токах.

Таким образом, при усилении биопотенциалов необходимо согласовывать сопротивление входной цепи усилителя и сопротивление биологической системы. В электрофизиологии считают, что R_вх должно в 10-20 раз превышать возможное значение R_б.

Низкая частота биоэлектрических сигналов обуславливает использование специальных усилителей постоянного тока.

19.4. Генераторы, их классификация и использование в медицине

Большая группа медицинских аппаратов, используемых в медицине, представляет собой по существу, генераторы разнообразных электромагнитных колебаний.

Генераторы - устройства, которые преобразуют энергию источников постоянного напряжения в энергию электромагнитных колебаний различной формы.

Классификация генераторов:

•  по форме сигнала: генератор гармонических колебаний и генератор колебаний специальной формы (импульсные колебания);

•  по частоте генерируемых сигналов;

•  по выходной мощности;

•  по принципу работы: генератор с самовозбуждением и генератор с внешним возбуждением.

Генераторы гармонических колебаний

Такие генераторы являются автоколебательными системами с положительной обратной связью, которая осуществляется с помощью транзистора или триода. Колебания требуемой частоты создаются колебательным контуром, а энергия поступает от источника постоянного напряжения через обратную связь.

Релаксационные генераторы

Для генерации негармонических колебаний широко применяются генераторы релаксационного типа, в которых используются процессы зарядки и разрядки конденсатора.

На рисунке 19.5 показана принципиальная схема такого генератора. Источником энергии является батарея постоянного тока, а обратная связь осуществляется с помощью газоразрядной лампы. Такая лампа зажигается при некотором напряжени «зажигания» U_з и гаснет при напряжении «гашения» U_г: U_г < U_з < ε (ε - э.д.с. источника).

Рис. 19.5. Схема генератора релаксационных колебаний и график изменения напряжения в цепи

После замыкания ключа К начнется зарядка конденсатора, и напряжение на его пластинах будет нарастать по закону U = ε_и[1 - exp(-t/τ)]. Постоянная времени для этого процесса относительно велика: τ = (R+r)C. В тот момент, когда напряжение на нем достигнет U_з, возникает газовый разряд, лампа загорается и ее сопротивление падает почти до 0. Пластины конденсатора оказываются замкнутыми, и он начнет разряжаться через горящую лампу. Постоянная времени для этого процесса относительно мала. Когда напряжение снизится до величины U_г, разряд гаснет и лампа переходит в непроводящее состояние. После этого снова начнется зарядка и т.д. В системе возникнут релаксационные колебания напряжения на конденсаторе без изменения полярности пластин.

Период и форма таких колебаний зависят от величин R, r, C, U_з, U_г.

Генераторы релаксационных колебаний используют для получения импульсных токов разной формы.

Генераторы, используемые в медицине

Амплипульстерапия - генератор соответствующего аппарата создает синусоидальные токи на частоте 5000 Гц, модулированные по амплитуде низкой частотой в пределах 10-150 Гц (аппараты «Стимул»). Выбор основной частоты 5000 Гц связан с тем, что на этой частоте сопротивление кожи очень мало. Это обеспечивает хорошее проникновение тока в глубь тканей.

Флюктуоризация - генератор соответствующего аппарата создает синусоидальный ток малой силы и небольшого напряжения, беспорядочно меняющегося по амплитуде и частоте в пределах

100-2000 Гц. Использование таких токов уменьшает вероятность привыкания тканей к раздражителю (аппараты снятия боли - АСБ).

Электросон - генератор соответствующего аппарата создает импульсный ток низкой частоты и малой силы с импульсами прямоугольной формы (аппараты «Электросон»).

Диадинамотерапия - генератор соответствующего аппарата создает ток с импульсами полусинусоидальной формы (аппарат «Тонус»).

Электростимуляция - генератор соответствующего прибора создает импульсные токи (в частности, импульсы экспоненциальной формы) для восстановления функции нервно-мышечного аппарата человека (аппараты АСМ).

19.5. Основные понятия и формулы