Усилители биоэлектрических сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

УСИЛИТЕЛИ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

1. Основные параметры дифференциальных усилителей

Качество электронной системы съема, усиления и регистрации биопотенциалов во многом определяется параметрами входной цепи, образованной электродами отведений и резистивными суммирующими схемами, а также входных каскадов усиления.

Свойства входной цепи определяют степень подавления синфазных помех, вызванных наводками от силовой и осветительной сети и электрических установок. Неодинаковое для разных электродов изменение во времени сопротивления кожа-электрод совместно с нестабильностями электрических параметров электродов приводит к изменению коэффициента передачи входной цепи по постоянному току и искажению АЧХ системы электрод-вход усилителя биопотенциалов. При этом может происходить преобразование синфазной помехи в разностную, которая, складываясь с полезным сигналом, имеет аддитивный характер.

На входные цепи усилителей биоэлектрических сигналов наряду с воздействием синфазных и разностных помех от физических источников (сети питания, электросиловых приборов) воздействуют синфазные и разностные помехи биологического происхождения (артефакты). Снижение влияния синфазных биологических и физических помех достигается применением усилителей с достаточно большим коэффициентом подавления этих помех. Устранение влияния противофазных физических помех и наводок достигается уменьшением площади замкнутого контура, образованного проводами отведений, применением методов экранирования.

Проблема подавления противофазных помех биологического происхождения, вызванных работой других органов и систем биообъекта, кроме интересующих исследователя, более сложна и требует применения систем фильтрации и специальных методик регистрации сигналов.

В качестве усилителей биоэлектрических сигналов широко используются усилители постоянного тока с непосредственными связями. Входные каскады усилителей выполняются по симметричным дифференциальным схемам, обеспечивающим высокий уровень подавления синфазных помех. Для ДУ вводится понятие коэффициентов передачи для различных составляющих входных сигналов:

К_р.р - от разностного входного сигнала к разностному выходному;

К_у.у - от входного сигнала среднего уровня к выходному сигналу среднего уровня,

К_р.у -- от разностного входного сигнала к выходному сигналу среднего уровня,

К_у.р -- от входного сигнала среднего уровня к разностному выходному сигналу.

Причем входной и выходной разностные сигналы U_вх.р, U_вых.р и входной и выходной сигналы среднего уровня U_вх.у, U_вых.у задаются соотношениями

,

, .

где U'_вх и U''_вх - потенциалы на симметричном входе ДУ; U'_вых и U''_вых - выходные напряжения на симметричном выходе.

Важным параметром ДУ является коэффициент режекции Н, определяемый как отношение входного напряжения среднего уровня (входного синфазного сигнала) к входному разностному напряжению, при которых на выходе усилителя образуется одинаковый по величине разностный сигнал. Он характеризует асимметрию плеч дифференциального каскада. В многокаскадных усилителях синфазная помеха, преобразованная в разностную во входной цепи вследствие асимметрии первого каскада, последующими каскадами не подавляется. Поэтому степень подавления синфазных помех во многом определяется коэффициентом режекции первого каскада ДУ.

Качественные характеристики дифференциальных каскадов определяются их схемотехническими особенностями и используемыми усилительными элементами. Дифференциальный каскад на биполярных транзисторах обладает большим усилением по напряжению, достаточно высоким значением коэффициента режекции, но сравнительно небольшим входным сопротивлением, особенно для разностного сигнала. Для улучшения характеристик используют транзисторы с большим коэффициентом усиления тока базы в₀, генераторы стабильного тока в цепи отрицательной обратной связи, динамические нагрузки, микротоковые режимы транзисторов. Эффективным средством повышения качественных показателей ДУ служит использование составных транзисторов. Применение составных транзисторов позволяет существенно увеличить входное сопротивление по разностному сигналу в сравнении с ДУ на простых биполярных транзисторах, более чем на порядок повысить коэффициент режекции. Коэффициент усиления разностного сигнала практически не изменяется. Наилучшие результаты дает схема общий коллектор - общий эмиттер, в которой могут быть получены входное сопротивление для разностного сигнала порядка сотен килоом, входное сопротивление для сигнала среднего уровня - сотни мегаом, коэффициент режекции Н - в пределах (1-3)·10⁶.

Преимущества использования полевых транзисторов в ДУ проявляются в существенном увеличении входного сопротивления, которое может достигать десятков мегаом. Коэффициенты передачи разностного сигнала и режекции обычно получаются несколько меньшими, чем в ДУ на биполярных транзисторах.

По мере совершенствования технологии интегральных микросхем непрерывно улучшаются параметры интегральных ОУ, которые с успехом применяются для усиления биопотенциалов. Характеристики устройств на ОУ определяются преимущественно параметрами цепей обратной связи, что позволяет создавать на их основе широкую номенклатуру функциональных узлов обработки аналоговых сигналов.

Интегральные ОУ характеризуются большим количеством параметров, важнейшими из которых являются коэффициент усиления дифференциального сигнала К_д, дифференциальное входное сопротивление R_вх.д, коэффициент ослабления синфазного сигнала К_о.с, напряжение смещения е_см, входной ток смещения I_вх, напряжение питания и потребляемый ток. КОСС определяет способность усилителя различать малый дифференциальный (разностный) сигнал на фоне большого синфазного

где К_с - коэффициент усиления синфазного сигнала, который определяется как отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению синфазного входного напряжения.

Часто используется логарифмическая форма задания КОСС: К=20lg(К_д/К_с). Легко достижимое значение КОСС операционных усилителей лежит в диапазоне 70-80 дБ.

Особый интерес для построения усилителей биоэлектрических сигналов представляют высококачественные дифференциальные усилители на операционных усилителях (ОУ). Простейший дифференциальный каскад строится на ОУ с отрицательной обратной связью (рис. 1,а). При большом коэффициенте усиления и выполнении условия R3/R4 = R1/R2 выходное напряжение зависит только от разностного входного сигнала и не зависит от сигнала среднего уровня, т. е.

Рисунок 1 - Схемы усилителей на ОУ: базовый дифференциальный (а); с повышенным входным сопротивлением (б)

Недостатками простого дифференциального каскада на ОУ являются низкие входные сопротивления и трудность регулировки коэффициента усиления, которая возможна только путем одновременного изменения сопротивления двух резисторов (R2 и R4).

Повышение входного сопротивления достигается использованием неинвертирующих входов ОУ (рис. 1,б). Такая схема обеспечивает установку заданного коэффициента усиления с помощью лишь одного изменяемого сопротивления (резистора R1). Величины сопротивлений резисторов должны удовлетворять условию R2/R3= R5/R4, а выходное напряжение определяется соотношением

.

Для этой схемы характерно значительное неравенство входных сопротивлений по прямому и инверсному входам, следствием чего является недостаточный уровень подавления синфазной помехи.

Значительно лучшие результаты дает схема на трех ОУ (рис. 2), в которой глубина обратной связи обоих входных усилителей оказывается одинаковой. Для этой схемы величины сопротивлений должны удовлетворять соотношению R2/R3 = R5/R4, кроме того, обычно выбирают R2 = R3. Тогда выходное напряжение определяется простой формулой

(1)

.

Рисунок 2 - Инструментальный усилитель на трех ОУ

Как следует из (1), в этом случае также сохраняется возможность регулировки усиления при помощи одного резистора, а коэффициент передачи синфазного сигнала при правильном выборе величины R1 и идеальных ОУ равен нулю. Благодаря этим положительным свойствам схема на трех ОУ является базовой при построении высококачественных инструментальных усилителей, предназначенных, в частности, для усиления и регистрации биоэлектрических сигналов. При этом ОУ и пассивные элементы формируются на одном кристалле в виде интегральной микросхемы, а высокие качественные показатели достигаются путем технологической подгонки элементов в процессе изготовления.

Примером инструментального усилителя, специально предназначенного для использования в медицинских системах, может служить микросхема AD620AN фирмы Analog Devices. Микросхема, размещенная в стандартном 8-выводном DIP-корпусе, представляет собой ДУ на трех ОУ. Высокая симметрия схемы обеспечивается технологически с помощью лазерной подгонки параметров электронных компонентов в процессе изготовления. Усилитель AD620AN работает в диапазоне питающих напряжений ±(2,3-18)В, допуская регулировку коэффициента усиления в пределах от 1 до 1000 путем изменения величины одного внешнего резистора. Значение коэффициента ослабления синфазного сигнала при коэффициенте усиления 10 и разбалансе сопротивлений источника сигнала 1 кОм превышает 100 дБ. Усилитель обладает большим входным сопротивлением по постоянному току (10 ГОм) и весьма низким уровнем собственных шумов.

2. Методы снижения синфазных помех

Как отмечалось выше, появление выходного сигнала при действии на входе усилителя синфазной помехи может быть вызвано не только несовершенством внутренней структуры ОУ, но и преобразованием синфазного сигнала в разностный во входных цепях усилителя.

На рис. 3 представлена эквивалентная схема подключения ДУ с симметричным входом к биообъекту, которое осуществляется тремя электродами в точках 1, 2, 3. Два электрода 1, 2 активные и соединяются с входными зажимами усилителя. Индифферентный электрод 3 соединяется с корпусом усилителя. На схеме Е₁+ Е₂= Е_вх - ЭДС эквивалентных генераторов биоэлектрических сигналов с внутренними сопротивлениями Z₁, Z₂ (сопротивлениями электрод-биообъект); Е_с.п - ЭДС синфазной помехи с внутренним сопротивлением Z_с.п; Z_вxl, Z_вx2 - полные входные дифференциальные сопротивления усилителя. Как видно из схемы, на входе усилителя образуется мост из элементов Z₁, Z₂, Z_вxl, Z_вx2. Если мост сбалансирован, то преобразования синфазной помехи в дифференциальную не происходит. Однако практически ожидать баланса моста невозможно, так как Z₁, Z₂ зависят от целого ряда факторов, a Z_вxl, Z_вx2 отличаются друг от друга в силу технологического разброса. В результате разбаланса моста токи I'_с.п и I''_с.п, протекая через Z_вxl, Z_вx2, образуют между входами усилителя напряжение дифференциальной помехи U_д.п. Коэффициент подавления синфазной помехи входной цепью усилителя определяется как отношение ЭДС синфазной помехи к напряжению дифференциальной помехи между входами

Рисунок 3 - Эквивалентная схема подключения усилителя к биообъекту

На практике Z_вxl, Z_вx2 выбираются на два и более порядка больше, чем Z₁, Z₂, Z_с.п. С учетом этого, пересчитывая действие синфазной помехи Е_с.п к точкам 3, 4, а затем к точкам 1, 2 (рис. 4), можно получить приближенное выражение для К_о.с.вх

(2)

В силу достаточно высокой идентичности входных сопротивлений ОУ можно положить Z_вxl = Z_вx2 = Z_вх. Тогда выражение (2) приводится к виду

Полученное соотношение устанавливает связь между полным сопротивлением электрод-биообъект и полным входным сопротивлением усилителя, которая характеризует способность входной цепи подавлять синфазные помехи. Из (3) следует, что устранение разбаланса (уменьшение разности сопротивлений электрод-биообъект) значительно увеличивает подавление помехи. В целях снижения влияния разбаланса необходимо применять усилители с возможно большим входным сопротивлением.

Для уменьшения влияния синфазных помех применяются специальные компенсационные схемы. Ввиду сравнительно малого сопротивления тканей биообъекта величина синфазной помехи на всей его поверхности практически одинакова. Напряжение синфазной помехи снимается с одного или нескольких активных электродов и подается на инвертирующий усилитель, выход которого подключается через индифферентный электрод N между биообъектом и общим проводом (рис. 4).

Рисунок 4 - Схема компенсатора синфазной помехи

За счет противофазного подключения компенсирующего напряжения происходит существенное снижение уровня синфазной помехи на входе канала усиления. Качество компенсации определяется величиной коэффициента усиления усилителя DA2. При этом необходимо обеспечивать устойчивость схемы компенсации.

Применение подавителя позволяет снизить требования к К_о.с. и симметричности входных цепей, что особенно важно при многоканальной регистрации биопотенциалов.

Рисунок 5 - Эквивалентная схема входных цепей усилителя с гальваническим разделением входа и выхода

Эквивалентная схема входных цепей и структура усилителей с гальваническим разделением входа и выхода представлена на рис. 5. В этих усилителях следует различать две части: входную и выходную, изолированные друг от друга диэлектриком, не допускающим между ними гальванической связи. Передача информации из входной части в выходную осуществляется через УГР с помощью различных носителей: изменяющегося электрического или магнитного поля, электромагнитного поля, звуковых колебаний, светового потока, механического движения.

Таким образом, усилитель с УГР представляет собой усилитель постоянного тока с преобразованием, работающий по принципу модуляция-усиление-демодуляция. В усилителях с преобразованием основное усиление происходит на несущей частоте. Такие усилители отличаются низким уровнем дрейфа, устойчивостью к изменению питающих напряжений и температуры окружающей среды, простотой введения корректирующих обратных связей. Принцип модуляции-демодуляции широко используется для построения усилителей медленно изменяющихся напряжений. Однако в рассматриваемом случае преобразование сигнала используется для реализации гальванического разделения входных и выходных цепей. Основное усиление обеспечивается, как правило, ОУ, обладающими удовлетворительными дрейфовыми параметрами. Для модуляции сигналов в УГР могут быть использованы все виды модуляции, применяемые в системах передачи информации: амплитудная, частотная, фазовая, частотно-импульсная, время-импульсная, широтно-импульсная, кодово-импульсная. Усилители с гальваническим разделением входа и выхода принято называть также изолирующими или развязывающими.

В усилителях с гальваническим разделением применяется двойное экранирование. Внешний экран Э1 соединен с корпусом усилителя и обычно заземляется. Внутренний экран Э2 служит конструктивной базой для монтажа элементов входной цепи усилителя и с корпусом установки не соединяется. В некоторых случаях к внутреннему экрану подключается индифферентный электрод. Полное сопротивление между экранами Z_из по постоянному току весьма велико и на несколько порядков может превосходить входное дифференциальное сопротивление усилителя. Сопротивление изоляции по переменному току определяется величиной емкости между экранами.

Как следует из эквивалентной схемы входной цепи, полное сопротивление изоляции Z_из включено последовательно на пути тока синфазной помехи I_с.п., что обеспечивает его значительное уменьшение. Это снижает влияние разбаланса входной цепи на преобразование синфазной помехи в дифференциальную. Учитывая, что Z_вxl, Z_вx2 существенно больше сопротивлений электрод-биообъект (Z₁ Z₂) и в то же время на несколько порядков меньше сопротивления изоляции (Z_из), и полагая Z_вxl = Z_вx2 = Z_вх, можно получить приближенное выражение для коэффициента подавления синфазной помехи входной цепью усилителя

(4)

Выражение (4) можно представить в виде произведения двух коэффициентов

,

Здесь К'_о.с.вх отражает свойство подавления синфазных помех за счет гальванической развязки входных цепей усилителя от его корпуса, а К''_о.с.вх определяет подавление помех за счет симметричного входа дифференциального усилителя.

Сравнение выражений (3) и (4) показывает, что введение гальванической развязки входных цепей придает усилителям биоэлектрических сигналов новые качества. На практике в усилителях с гальванической развязкой удается обеспечить очень большое значение активной составляющей Z_из (10¹⁰ Ом и более), что позволяет получить значительный коэффициент подавления синфазных помех (до 10⁷). Кроме того, увеличение входного сопротивления в дифференциальных усилителях с полевыми транзисторами на входе ограничено токами затвора порядка 0,01 - 0,1 нА. Эти токи создают на входе усилителя разностный ток и напряжение, приводящие к росту временного и температурного дрейфа изолинии, снижению пороговой чувствительности усилителя. Этого не происходит в усилителях с гальваническим разделением входных и выходных цепей.

Помимо больших значений К_о.с.вх в развязывающих усилителях обеспечивается значительное снижение тока утечки от питающей сети на биообъект. Это способствует повышению электробезопасности пациентов. Поэтому в УГР необходимо не только увеличивать сопротивление изоляции, но и обеспечивать ее высокую электрическую прочность.

В силу отмеченных выше особенностей практической реализации УГР микроминиатюризация развязывающих усилителей является весьма трудной задачей. Гибридные интегральные микросхемы, в которых применяются трансформаторы, сложны в производстве. УГР с применением оптической связи обладают повышенной нелинейностью передаточной характеристики, недостаточной электрической прочностью и временной стабильностью параметров.

Однако номенклатура усилителей с УГР в настоящее время постоянно растет. Например, специально для применения в медицинской аппаратуре фирмой Analog Devices выпускается микросхема развязывающего усилителя типа AD294A. При разбалансе сопротивлений источника сигнала 5 кОм она обеспечивает К_о.с.вх = 115 дБ при нелинейности ±0,1% и входном сопротивлении 100 МОм. Электрическая прочность характеризуется пробивным напряжением U_max = 8 кВ.

дифференциальный усилитель каскад транзистор синфазный

3. Специальные виды усилителей

Для построения усилителей биопотенциалов может быть использован принцип параметрического усиления, обладающий рядом преимуществ по сравнению с обычными методами усиления. Низкий уровень шумов, большой коэффициент преобразования, высокое входное сопротивление и малый уровень дрейфа способствуют внедрению параметрических усилителей в диапазон низких и инфранизких частот, где свойственные им качества могут быть сравнительно легко реализованы. Отличительной особенностью параметрического усилителя является использование реактивных элементов с изменяющимися во времени параметрами для преобразования энергии источника высокочастотных колебаний в энергию полезного сигнала. Поскольку реактивные сопротивления не создают теплового шума, то такие усилители обладают хорошими потенциальными шумовыми характеристиками.

Наибольшее распространение получили параметрические усилители с асинхронным или бигармоническим режимом преобразования. В этом случае частота накачки и частота собственных колебаний контура, в который включена управляемая реактивность, находятся в произвольном соотношении и сдвинуты на произвольный фазовый угол. В выходном сигнале усилителя содержатся составляющие с частотой входного сигнала, накачки, а также со всевозможными комбинационными частотами. Основной интерес для электрофизиологических исследований представляют усилители-преобразователи с наличием двух наименьших комбинационных частот, поскольку в диапазоне частот биоэлектрических сигналов осуществить их разделение затруднительно. На выходе устройства выделяются, таким образом, суммарная и разностная частоты входного сигнала и напряжения накачки. Такой усилитель имеет устойчивый и в то же время высокий коэффициент усиления.

В параметрических усилителях в качестве управляемой реактивности используются варикапы. Это определяет их большое входное сопротивление, которое в зависимости от схемотехнических особенностей может достигать десятков и сотен мегаом. Входные каскады параметрических усилителей строятся обычно по симметричной балансной схеме, частота накачки выбирается порядка нескольких десятков мегагерц, применяются варикапы с небольшой дифференциальной емкостью. Это способствует повышению входного сопротивления и степени подавления синфазного помехового сигнала, расширению полосы пропускания усилителя.

Одна из основных трудностей применения низкочастотных параметрических усилителей-преобразователей заключается в согласовании их с усилителями несущей частоты. Это особенно проявляется при использовании в усилителе радиочастоты биполярных транзисторов. Поскольку первый каскад усиления вносит основную долю в общий уровень шумов, то неоптимальные условия согласования приводят к ухудшению таких важных параметров, как уровень шума и коэффициент усиления. Перспективным является применение в усилителе несущей частоты полевых транзисторов и гибридных усилительных каскадов. Использование параметрических усилителей позволяет получить коэффициент усиления до нескольких сотен в полосе от нуля до 10 кГц, высокую линейность амплитудной характеристики, коэффициент ослабления синфазного сигнала на частоте 50 Гц более 10⁶, входное сопротивление 20-100 МОм.

Дальнейшего снижения шумов усилительных элементов можно достичь путем принудительного охлаждения предварительных каскадов усиления. Применение усилителей, охлаждаемых до низких температур, позволяет в 3-4 раза снизить уровень шума и реализовать предельные значения чувствительности усилителей биопотенциалов. Это открывает возможности для исследования тонкой структуры биоэлектрических сигналов органов, тканей и клеток, что значительно расширяет возможности электрофизиологических методов.

Теоретические и экспериментальные исследования в этой области показывают, что температурная зависимость уровня собственных шумов биполярных и полевых транзисторов не является монотонной. В силу существенной зависимости коэффициента передачи тока базы от температуры имеется оптимальное значение сопротивления источника сигнала и рабочей температуры транзисторов, при которой уровень шумов минимален. Для биполярных транзисторов это значение составляет 120-180 К.

Простейшие методы охлаждения, основанные на размещении усилителя непосредственно в криостате, например, с жидким азотом, в этом случае оказываются непригодными. Для достижения оптимальной рабочей температуры необходимо использовать другие способы охлаждения, в частности, размещение устройства в парах криогенных жидкостей. Однако поддержание заданного температурного режима при этом является весьма сложной задачей.

Эксперименты по охлаждению биполярных транзисторов показывают, что во многих случаях они теряют работоспособность из-за термоудара вследствие резкого перепада рабочих температур. Кроме того, связанный с несовершенством технологии изготовления и неоднородностью исходных материалов разброс параметров транзисторов усугубляется при пониженных температурах, за счет чего увеличивается и разброс статических характеристик. Полевым транзисторам присущи шумы, обусловленные глубоким охлаждением приборов и связанные с деионизацией примесей кристаллов, а при температуре меньше 78 К большинство полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом начинают терять работоспособность.

Отмеченные обстоятельства ограничивают пока использование достижений криогенной электроники при разработке усилителей биопотенциалов. Применение охлаждаемых усилительных каскадов целесообразно при построении уникальных экспериментальных систем для регистрации и исследования низкоуровневых биоэлектрических сигналов в различных областях электрофизиологии.

Размещено на Allbest.ru