операционных усилителей

БИОУСИЛИТЕЛЬ
©А.В. Литвин
Практическое занятие: Схемотехника
биоусилителя
•
•
•
•
•
•
•
Цель занятия: Изучение характеристик биоусилителей.
Формируемые компетенции:
способностью использовать результаты освоения фундаментальных и
прикладных дисциплин магистерской программы (ПК-1);
способностью понимать основные проблемы в своей предметной области,
выбирать методы и средства их решения (ПК-3);
способностью самостоятельно приобретать и использовать в практической
деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний,
непосредственно не связанных со сферой деятельности (ПК-4);
способностью проектировать устройства, приборы, системы и комплексы
биомедицинского и экологического назначения с учетом заданных
требований (ПК-9);
способностью разрабатывать проектно-конструкторскую документацию в
соответствии с методическими и нормативными требованиями (ПК10);способность применять современные компьютерные технологии в
научно-исследовательской деятельности.
Характеристики биоэлектрических сигналов
• При электрофизиологических
исследованиях форма и параметры
регистрируемых потенциалов передающих
диагностическую информацию о
состоянии организма различны. Опыт
проведения исследований позволяет
установить, что двойные амплитуды
потенциалов живых объектов лежат в
пределах от 5 мкВ до 120 мВ, диапазон
частот от 10-4 до 103 Гц и выше.
Характеристики биоэлектрических
сигналов
Параметр
ЭКГ
Амплитуда, 0,15,0
мВ
Частота, Гц
ЭЭГ
0,02 –
0,3
0,01 – 0,1 –
2000 2000
ЭМГ
ЭОГ
0,01 –
1,0
0,02 – 1 –
2,0
100
1–
10000
0–
30
ЭКГ — электрокардиография; ЭЭГ - электроэнцефалография;
ЭМГ - электромиография; ЭОГ - электроокулография;
КГР - кожно-гальваническая реакция
КГР
0,05 –
10
Параметры источника
биопотенциалов
• Для источника биопотенциалов характерно:
• нестабильность внутреннего сопротивления за счет изменения сопротивлений переходов «кожа - электрод»;
• образование на переходах «кожа - электрод» напряжений поляризации, которые могут достигать ±300 мВ;
• медленный дрейф напряжения поляризации и резкие
его изменения при смещениях электродов;
• наличие напряжений помех, попадающих на входы
УБП синфазно и противофазно;
• наличие импульсных помех, например, при
использовании кардиостимуляторов или
дефибрилляторов.
Характеристики биоусилителя
• Основными техническими характеристиками биоусилителя:
• – входное сопротивление не менее 100 МОм для исключения
шунтирования низковольтовых входных сигналов;
• – уровень шума не более 1–5мкВ от пика до пика (peak-to-peak);
• – уровень подавления синфазной помехи 80–100 дБ, что позволяет
работать без специальных экранированных камер;
• – полоса пропускания 0.01–1000 Гц;
• – число градаций коэффициента усиления от 1 до 100 тысяч;
• – число фильтров верхних частот и нижних частот;
• – наличие режекторного фильтра 50 Гц с добротностью не менее 80
дБ.
• Основной элементной базой при построении измерительного
преобразователя являются операционные усилители.
Подавление синфазной помехи
Операционные усилители
• К классу операционных
усилителей (ОУ) относят
усилители постоянного тока с
высоким коэффициентом
усиления, дифференциальным
входом и малыми значениями
напряжения смещения нуля и
входных токов.
• Используется несколько
вариантов обозначения
операционных усилителей.
Обозначение ОУ
•
•
•
•
•
Часто в изображении
ОУ используют
дополнительные
поля:
цепи питания -Un и
+Un,
• нулевой провод G,
• цепи коррекции FC.
Двухполярный ввод- вывод
• В некоторых типах ОУ
внешние цепи
коррекции и
«земляной» вывод
отсутствуют.
• Такая схема
обеспечивает работу
операционного
усилителя с двух
полярными входными и
выходными сигналами.
Двухполярный ввод- вывод
• Выходное напряжение ОУ находится в одной фазе
с разностью входных напряжений и определяется
выражением
• 𝑈вых = 𝐾дф 𝑈1 − 𝑈2 ,
• где Кдф- дифференциальный коэффициент
усиления.
• Разность входных напряжений называют
дифференциальным входным напряжением:
• 𝑈др = 𝑈1 − 𝑈2 .
• Полусумму входных напряжений называют
синфазным входным напряжением:
• 𝑈сф = (𝑈1 +𝑈2 )/2
Инвертирующий и
неинвертирующий усилители
• На основе схем дифференциальных усилителей создаются
схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителей.
• На практике обычно считают, что входные токи 𝑖_вх малы
и их принимают равными нулю.
• Напряжения на инверсном и неинверсном входах
равными между собой (𝑈+ , 𝑈− ).
Инвертирующий и
неинвертирующий усилители
• Для неинвертирующего усилителя при Ку,
стремящемся к бесконечности
• 𝑈вых = 𝑈вх 1 + 𝑅0 𝑅1 , при 𝑈+ = 𝑈−
• При 𝑅0 = 0 𝑈вых = 𝑈вх усилитель работает в
режиме повторителя и может быть использована
для повышения входного сопротивления и
снижения выходного.
• Коэффициенты усиления инвертирующего (Ки) и
неинвертирующего (Кн) :
• 𝐾и = − 𝑅0
𝑅1 ;
𝐾н = 1 + 𝑅0
𝑅1
Задание:
• 1. Рассчитать параметры не инвертирующего
операционного усилителя для следующих
коэффициентов усиления : 100, 300, 50, 150.
• 2. Рассчитать параметры инвертирующего
операционного усилителя для следующих
коэффициентов усиления : 500, 200, 150, 450.
• 3. Выполнить моделирование операционных
усилителей в системе Electronic Workbench
• Примечание при расчетах использовать ряды
E для радиодеталей
Контрольные вопросы:
• 1. Назовите характеристики идеального усилителя
• 2. Чем отличается инвертирующий усилитель от не
инвертирующего?
• 3. В каких диапазонах находятся потенциалов и
частот биопотенциалы живых объектов?
• 4. Как называют полусумму входных напряжений 𝑈
=(𝑈_1 〖+𝑈〗_2)/2?
• 5. От чего зависит коэффициент усилителя?
• 6. Что такое обратная связь и как она реализуется?