Медицинская электроника

Электропроводность канала может  быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различают  полевые транзисторы с n-каналом  и р-каналом. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды  транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного  источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного  напряжения на p-n переходе затвора (или  на двух p-n переходах одновременно). В связи с малостью обратных токов  мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому  полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебании  как по мощности, так и по току и напряжению. Условное графическое изображение

Устройство

Изображение на следующем рисунке  наиболее близко к конструкции реального  полевого транзистора.

Для рассмотрения принципа действия прибора изобразим его внутреннюю структуру схематично. 
Степень легирования затвора выше, чем канала, в результате чего область объединённого заряда, обедненного носителями, в канале оказывается шире, чем в затворе.

Для управления ПТ с каналом n-типа на затвор относительно потока подают отрицательное напряжение, а на сток относительно истока - положительное.

В результате того, что потенциал  канала возрастает от истока к стоку, обратное смещение p-n-перехода оказывается  более значительным в области  стока, чем в области истока.

Если разность потенциалов между  стоком и затвором достаточно велика, канал оказывается полностью  перекрыт областью, обеднённой основными  носителями заряда.

Таким образом, для открытия полевого канала полевого транзистора с p-n-переходом  напряжение «затвор-исток» должно быть равно 

При увеличении по модулю отрицательного потенциала затвора проводимость канала падает, т.е. транзистор закрывается.

Входные и выходные характеристики

ПТ характеризуется стоковыми, или выходными, и стокозатворными  характеристиками.

 

Стоковая характеристика:

Основные параметры

К основным параметрам полевого транзистора  с p-n-переходом относятся:

1. S - крутизна стокозатворной характеристики:;
2. выходное и входное сопротивление транзистора;
3. максимально допустимый ток стока;
4. максимально допустимое напряжение стока
5. напряжение отсечки между затвором и истоком

 

23.Схема  усилительного каскада на транзисторе.  Назначение отдельных элементов  усилительного каскада. Многокаскадное  усиление.

Усилители биологических сигналов на транзисторах структурно состоят  из соединенных в цепочки элементарных звеньев, которые получили название - усилительные каскады. Основой каждого  каскада является усилительный прибор - транзистор.

В основе работы транзистора лежит  свойство р-n - перехода. Эта структура образуется на границе раздела полупроводников с различным типом проводимости. К полупроводникам относятся материалы с удельным сопротивлением, р = 10^-5 - 10^-8 Ом • м.

При контакте двух полупроводников  на границе их раздела образуется зона объемного заряда за счет диффузии основных носителей в зоны с противоположной  проводимостью.

Структура р-n - перехода приведена на рисунке:

Схема полупроводникового диода.

В области объемного заряда образуется поле напряженностью Е_р-n, и при этом протекают три тока: ток диффузии (за счет градиента концентраций), ток рекомбинации и ток дрейфа основных носителей заряда. Основными носителями тока в р-полупроводнике являются дырки, а в n-полупроводнике - электроны. В условиях равновесного состояния перехода суммарная составляющая токов равна нулю.

При приложении внешнего поля (Е_ист) оно либо суммируется с полем объемного заряда, или вычитается из него в зависимости от полярности. Такие включения называются соответственно прямым и обратным.

При обратном включении Е_общ = Е_ист + Е_р-n зона объемного заряда расширяется, и ток через прибор равен нулю. При прямом включении Е_общ — Е_ист • Е_р-n, и через р-n - переход течет ток.

Многокаскадное  усиление

Если транзистор включать по определенной схеме вместе с сопротивлениями и емкостями, то получится усилительный каскад. Существуют три схемы включения: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

Наиболее распространен каскад с ОЭ:

Схема усилителя  с большим эмиттером

В этой схеме сопротивления R₁ и R₂ являются делителем напряжения и за счёт только одного коллекторного источника питания создают необходимое напряжение между базой и эмиттером.

C₁ и С₂ - разделительные конденсаторы. Они не пропускают постоянную составляющую входного и выходного напряжения, так как данный усилитель служит для усиления только переменных токов. R_K - сопротивление коллекторной нагрузки. Для увеличения коэффициента усиления и получения наилучших параметров используется последовательное включение одиночных каскадов. Такие усилители называются многокаскадными. Для многокаскадного усилителя коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления каждого отдельного каскада: К_ус = K_yc1 • К_ус2 .

 

24. Согласование входного и выходного сопротивлений усилительных каскадов.

По закону Ома: I_вх = Е / (R_э-к + R_вх).

Тогда: U_вх = I_вх • R_вх = Е• R_вх/( R_э-к + R_вх). Из последней формулы видно, что если R_вх → ∞ то U_вх → Е. Для усилителей R_вх должно быть не менее 100 МОм. Для того чтобы не шунтировать следующие за усилителем блоки диагностического прибора, сопротивление выхода усилителя должно быть примерно равным сопротивлению входа следующего блока диагностического прибора.

 

25. Требования к УОР. Метрологические характеристики аналоговых УОР и методы их определения.

Основные требования к  УОР:

• высокая чувствительность;
• минимальная погрешность;
• максимальный частотный диапазон;
• минимальная потребляемая мощность;
• высокое быстродействие;
• сохранение информации при отключении питания;
• удобство считывания информации;
• простота и надежность в эксплуатации;
• минимальные габариты и вес;
• универсальность;
• минимальная стоимость носителя информации.

Метрологические характеристики аналоговых УОР и методы их определения

Метрологические характеристики УОР  определяются по их амплитудной и  частотной характеристикам.

1. Амплитудная характеристика - график  зависимости амплитуды записи  L от напряжения на входе регистратора U_вх при постоянной частоте отображаемого или регистрируемого сигнала:

L = f(U_BX) при v = const.

На амплитудной характеристике буквами отмечен линейный участок (АВ).

Амплитудная характеристика УОР.

По амплитудной характеристике можно определить:

а)динамический диапазон m = U _{вх mаx} / U_{вх min}

б)чувствительность УОР на линейном участке АВ

g = ∆L/∆U_вх

2. Частотная характеристика УОР  - график зависимости амплитуды  записи L от частоты отображаемого или регистрируемого сигнала v при постоянном напряжении на входе УОР, т.е. зависимость

L = f(v) при U_вх = const.

По частотной характеристике можно  определить частотный диапазон УОР  на общепринятом уровне затухания 3 дб.

Частотная характеристика УОР. 0 – v_B – частотный диапазон.

 

26. Аналоговые УОР. Классификация, устройство, принцип действия, метрологические характеристики различных аналоговых УОР.

Аналоговые регистрирующие и отображающие устройства применяются для представления  информации в непрерывном виде (например, в случае получения ЭКГ), когда необходим график изменения контролируемой величины во времени или зависимость одного параметра от другого.

Показывающим прибором является любой  стрелочный прибор известной электромагнитной, магнитоэлектрической или электродинамической  системы.

В медицинских приборах шкалы показывающих приборов градуируются сразу в единицах измерения контролируемого параметра.

Их преимущества: простота получения информации.

Недостатки: не хранят информацию, обладают недостаточной точностью и большой инертностью.

Самописцы - основаны на преобразовании электрической энергии в механическую.

Чернилъно-пишущий гальванометр

В зазоре магнита - стержень, сердечник. На катушки подмагничивания подается сигнал от УБП. Результатом взаимодействия магнитных полей постоянного магнита и электромагнита является поворот сердечника на определённый угол, пропорциональный величине регистрируемого электрического сигнала. На другом конце стержня находится перо, которое соприкасается с движущейся бумажной лентой. Частотный диапазон: 0-150 Гц. Амплитуда записи: 30 - 40 мм (при длине пера 100 - 120 мм).

Преимущества: простота, наглядность записи, возможность многоканальной записи (несколько параметров), дешевизна.

Недостатки: большая инертность (малая скорость записи), разбрызгивание чернил, криволинейность записи.

Струйный регистратор

Запись производится струёй чернил, выбрасываемых в сторону движущейся бумаги с большой скоростью. Капилляр связан с постоянным магнитом цилиндрической формы, помещаемым в зазоре электромагнита. Если через электромагнит пропустить электрический ток, то созданное им поле заставит повернуться постоянный магнит с капилляром на некоторый угол, пропорциональный величине тока. Малая масса подвижной системы струйного гальванометра и высокая плотность разбрызгиваемых чернил позволяют вести регистрацию процессов с частотой до 1000 Гц и более. Амплитуда записи - до 100 мм.

Преимущества: малая инертность, почти отсутствуют криволинейные искажения.

Недостатки: сложность, дорог, чернила должны быть чистыми, необходима регулировка.

Вибратор с термозаписью

Черная бумага покрывается тонким слоем воска или парафина. В  месте касания пера, воск расплавляется. Остается след в виде обнажающейся чёрной подложки.

Метрологические характеристики такие  же, как у чернильно-пишушего гальванометра, так как основой является тот  же самый электромагнитный вибратор.

Преимущества: контрастная запись, простота устройства, нет разбрызгивания чернил.

Недостатки: дорогая бумага, особые условия хранения.

Фоторегистраторы

Основной частью их является рамочный или шлейфный гальванометр. На шлейфе (петле) укрепляется миниатюрное  зеркальце. При пропускании тока от УБП шлейф с зеркальцем поворачивается в магнитном ноле на некоторый  угол, пропорциональный величине сигнала. На зеркальце направляется луч света, который после отражения попадает на движущуюся фотобумагу.

Частотный диапазон: 0-20 Кгц и больше.

Амплитуда записи: 30 - 40 мм.

Преимущества: малая инерционность.

Недостатки: дорогой носитель, бумагу надо проявлять и закреплять.

 

27. Дискретные УОР. Классификация, устройство, принцип действия, метрологические характеристики различных УОР.

Дискретные УОР поставляют информацию периодически и выдают информацию в  обработанном виде.

Цифровые индикаторы: оптические, газоразрядные, электролюминисцентные, на жидких кристаллах.

• Оптические - проецируют знаки по волоконной оптике на матовый экран.
• Газоразрядные индикаторы - газонаполненный стеклянный баллон, имеющий один анод и множество катодов в виде цифр. При подаче напряжения между катодом и анодом в баллоне возникает газовый разряд, имеющий форму катода. Управляются специальными электронными схемами.
• Электролюминесцентные - цифры (знаки) образуются за счет высвечивания отдельных полосок или точечных знаков, набранных в виде матриц. Пол действием приложенного напряжения происходит свечение люминофора. Цвет зависит от природы люминофора.
• Жидкокристаллические индикаторы - под действием электрического поля происходит переориентация кристаллов, и они становятся видимыми.

Сигнализирующие устройства

Различают звуковые и световые устройства. Они применяются для сигнализации о выходе контролируемого параметра за установленные пределы или о наличии аварийной ситуации.

Принтеры

Принтеры - это печатающие устройства.

Основные требования к  принтерам: малые габариты, высокое качество печати, цветная печать, многообразие шрифтов, много копий, низкая стоимость. В настоящее время существует следующая классификация принтеров:

Остановимся на устройстве некоторых  принтеров:

а) литерные - электрические пишущие машинки, управляемые ЦВМ, например, «Консул» -10 знаков в секунду.

б) матричные (мозаичные) - в них изображение формируется из множества точек, оставляемых ударами тупых иголочек по красящей ленте. Таких иголочек до 48 штук. Выводят алфавитно-цифровую и графическую информацию. Скорость вывода информации до 150 знаков в секунду.