Усиление биоэлектрических сигналов

Усилителями электрических сигналов или электрон­ными усилителями называют устройства, увеличиваю­щие эти сигналы за счет энергии постороннего источ­ника. Прямое, непосредственное измерение биоэлектрического сигнала или сигнала, созданного на выходе генераторного датчика, является трудновыполнимой задачей, так как эти сигналы обыч­но весьма малы. Именно поэтому в структурной схеме необходим усилитель электрических сигналов. Ради определенности проиллюстрируем особенности усиления медико-биологических электрических сигналов на примере био­электрических сигналов, т. е. тех сигналов, которые снимаются электродами с биологического объекта. Специфика усилителей биопотенциалов определяется следующи­ми основными особенностями этой разновидности электрических колебаний: 1) выходное сопротивление биологической системы совместно с сопротивлением электродов обычно достаточно вы­сокое; 2) биопотенциалы — медленно изменяющиеся сигналы; 3) биопотенциалы — слабые сигналы.

В электрофизиологии считают, что Rвх должно в 10—20 раз превышать наибольшее возможное значе­ние Ri.

Малая частота биологических электрических сигналов приво­дит к тому, что в цепях усилителя невозможно использовать конденсаторы, так как при малых частотах значительно возрас­тает емкостное сопротивление. Приходится исполь­зовать специальные усилители постоянного тока. Малость биопотенциалов побуждает использовать усилители с достаточно большим коэффициентом усиления, поэтому даже небольшие помехи, попадающие на вход усилителя, могут иска­зить полезный биоэлектрический сигнал и вызвать ложную ин­формацию. Помехами можно считать любые токи или напряже­ния на выходе усилителя при отсутствии на его входе полезного сигнала. От одних помех можно избавиться или уменьшить их влияние, усложнив и удорожив конструкцию усилителя. От других изба­виться в принципе невозможно, и поэтому приходится использо­вать каскад с небольшим коэффициентом усиления. Так, например, если усилительная схема питается от выпря­мителя с несовершенным фильтром, то возникает фон, соответ­ствующий периодичности тока городской электросети. Улучшение выпрямления, «сглаживание» пульсаций, устраняет этот фон.

Переменный ток городской сети может наводить э. д. с. вслед­ствие электромагнитной индукции в рядом расположенных усили­тельных цепях и биологических объектах. Экранирование усили­теля и проводников в его цепи, а также исследуемых систем, удаление этих элементов от проводников с переменным током позволяет устранить или уменьшить и эти помехи.

Если детали усилителя (электроды ламп, пластины конденса­торов и др.) будут колебаться, то это приведет к периодиче­скому изменению параметров схемы и, как следствие, к возник­новению случайных электромагнитных колебаний — микрофон­ный эффект. Укрепляя детали схемы и усиливая амортизацию, можно уменьшить или ликвидировать и помехи этого вида.

Большая группа помех получила название шумов. Шум слы­шен, например, в приемнике в виде шипения, треска и шороха. Особенно это заметно при большом усилении. Шум слышен лишь тогда, когда его частотные характеристики попадают в область 20 Гц — 20 кГц. Если графически изобразить зависимость силы тока или напряжения на выходе усилителя от времени, то даже при отсутствии сигнала на входе сила тока и напряжение не будут постоянны.

Усилители: по току, по напряжению, усилители мощности.

Обратная связь в электронных усилителях. Повторители. Для медико-биологических целей применяют усилители с глубокой отрицательной обратной связью. Отрицательная обратная связь препятствует развитию, изме­нению процесса и стабилизирует его. Это важно и для электрон­ных устройств. Применительно к усилителю обратная связь означает воздейст­вие сигнала с его выхода на вход.

Возможная структурная схема усилителя с обратной связью изображена на рис. 22.18. Здесь цепь обратной связи подклю­чена к выходу усилителя параллельно его нагрузке; следователь­но, напряжение Uос обратной связи прямо пропорционально напряжению Uвых на выходе. Напряжение обратной связи во входной цепи включено последовательно с напряжением Ur ис­точника сигнала (генератора).

Рассчитаем коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью. Назовем отношение β= Uос/ Uвых коэффициентом передачи цепи обратной связи.

Kсв= Uвых/ Ur - коэффициент усиления схемы с обратной связью.

Отношение Kсв= Uвых/ Uвх является коэффициентом усиления по напряжению собственно усилителя, без цепи обратной связи.

Дата добавления: 2015-08-13