Предмет электроники и направление ее развития

5. Усилители. Специфика усиления биоэлектрических сигналов.

Усилителями электрических сигналов или электронными усилителями называют устройства, увеличивающие эти сигналы за счет энергии постороннего источника.

Усилители могут создаваться  на основе различных элементов (транзисторы, триоды и т.д.), однако в общих вопросах все усилители могут  быть представлены достаточно едино. Они имеют вход, на который подается усиливаемый электрический сигнал, и выход, с которого снимается усиленный сигнал. Непременной частью всей системы является источник электрической энергии.

Наиболее распространенным принципом усиления сигнала является воздействие входной цепи на электрическое сопротивление выходной цепи. Это воздействие соответствует форме усиливаемого сигнала, и поэтому форма сигнала воспроизводиться в выходной цепи. В соответствии с понятиями кибернетики входную цепь можно считать системой управления, а выходную – объектом управления. Существенным требованием к усилителям является воспроизведение усиливаемого сигнала без искажении его формы.

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.

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 напряжение 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 приходиться использовать каскад с небольшим коэффициентом усиления.

Наиболее распространенными  усилителями для решения медико-биологических  задач являются 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. Усилители со стопроцентной отрицательной обратной связью получили название повторителей. Их используют как промежуточные усилители и располагают между биологической системой и основным усилителем для согласования сопротивлений. Для усиления биопотенциалов нужны усилители, полоса пропускания которых имеет нижнюю границу w=0. Усилители такого вида получили название усилителей постоянного тока независимо от того, усиливают они силу тока или напряжения.

6. Характеристики усилителей.

Для того чтобы форма  сигнала при усилении не изменялась, коэффициент усиления должен быть одинаков для различных напряжений в пределах изменения входного сигнала. В этом случае амплитудная характеристика усилителя имеет линейный вид.

На самом деле линейная зависимость выполняется в ограниченной области изменения входного  напряжения, при выходе за пределы этой области линейность зависимости нарушается. Если входной гармонический сигнал выйдет за пределы линейной части амплитудной характеристики, то выходной сигнал уже не будет гармоническим. Возникнет нелинейные искажения. Использование линейного участка характеристики еще не является гарантией неискаженного усиления электрического сигнала. Так как в усилителях используются конденсаторы и катушки индуктивности, а их сопротивление зависит от частоты, то коэффициент усиления для разных гармонических составляющих может оказаться разным. Отметим, что индуктивные свойства резисторов и емкостные свойства проводников, сколь малы они ни были, при увеличении частоты тоже могут оказать существенное влияние на коэффициент усиления. Таким образом, существенна зависимость k=f(w), которая получила название частотной характеристики усилителя. Для того, чтобы ангармонический сигнал был усилен без искажения (даже при использовании линейной части амплитудной характеристики), необходима независимость коэффициента усиления от частоты. Частотная характеристика должна иметь вид k=const. На практике это не реализуется и приводит к искажениям, получившим название линейных или частотных.

Частотная характеристика имеет большое значение при выборе усилителя для  записи биопотенциалов,  имеющих характер  сложного колебания с различными пределами частот в их гармоническом спектре. Поэтому не всегда усилитель, предназначенный для записи одних биопотенциалов, может быть использован для записи других.

7. Генераторы их разновидности и назначение.

Генераторами (электронными генераторами) называют устройства, которые преобразуют энергию источников постоянного напряжения в энергию электромагнитных колебаний различной формы. Большая группа медицинских по назначению аппаратов является конструктивно генераторами разнообразных  электромагнитных колебаний.

По принципу работы различают  генераторы с самовозбуждением (автоколебательные системы или автогенераторы) и генераторы с внешним возбуждением, которые, по существу, являются усилителями мощности высокой частоты. Технической основой генератора могут быть вакуумные устройства (электронные лампы), газонаполненные (газоразрядные) лампы, полупроводниковые элементы и интегральные схемы. Два последних понятия объединяют единым термином – «твердотельные» устройства, от физического понятия «твердое тело».

Генераторы  также подразделяют по частоте и  мощности колебаний. В медицине электронные генераторы находят три основных применения:

• в физиотерапевтической электронной аппаратуре;
• в электронных стимуляторах;
• в отдельных диагностических приборах, например реографе.

Литература:

1. Ливенцев Н.М. Курс физики (Атомная и ядерная физика, основы медицинской электроники и основы медицинской кибернетики): Учебник для вузов. М., Высшая школа, 1978.
2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. М., Высшая школа,1999.
3. Ясногорский В.Г. Электротерапия. – М., Медицина, 1987.