6 курс / Медицинская реабилитация, ЛФК, Спортивная медицина / Физиотерапия, лазерная терапия / Электронные_устройства_в_медицинских_приборах_2010

Так как ИКН можно представить как нелинейный усилительформирователь, то, прежде всего, он характеризуется параметрами, свойственными усилителям: коэффициентом усиления напряжения при работе в активной области, входным и выходным сопротивлениями. Причем, поскольку речь идет о нелинейном усилителе, его параметры меняются в широких пределах. Так, при работе в активной области, границы которой определяются напряжениями переключения ИКН, коэффициент усиления составляет несколько тысяч, тогда как в состоянии логической 1 и логического 0 ИКН перестает усиливать.

Погрешность сравнения входных напряжений, определяемую отклонением выходного напряжения и его дрейфом при работе ИКН в активной области, оценивают теми же параметрами, что и ИОУ, т.е. напряжением сдвига (смещения) Uвх.сд; входным током смещения Iвх.см; входным током сдвига Iвх.сд и температурными коэффициентами указанных параметров.

Быстродействие ИКН характеризуется временем переключения ИКН, определяемым продолжительностью перехода из одного состояния в другое, и дисперсией этого времени.

Современные ИКН относятся к классу аналого-цифровых интегральных микросхем. Они используются в качестве порогового элемента, составляющего основу большого класса электронных устройств: дискриминаторов амплитуды, детекторов уровня, триггера Шмитта, бистабильных индикаторов и т.д.

Сочетание порогового элемента с формирователем потенциальных уровней 1 и 0 позволяет использовать ИКН в различного рода преобразователях аналоговых сигналов в цифровые. К числу таких устройств относятся аналого-цифровые преобразователи (АЦП), преобразователи временных интервалов в последовательность импульсов и др. Выпускаются ИКН общего назначения, прецизионные и быстродействующие. Они применяются для производства различного рода генераторов импульсов. Их используют в качестве нелинейных усилителей-формирователей.

31

Контрольные вопросы

1.Какими датчиками пользуются для медицинской диагностики? Укажите их назначение.

2.Составьте структурную схему электронного усилителя и укажите назначения элементов схемы. Какое будет выходное напряжение Uвых, если напряжение датчика Uд = 0 ?

3.Что является причиной появления нелинейных искажений и как можно их уменьшить?

4.Какими параметрами усилителя лимитируются линейные искажения в областях низших и высших частот?

5.Как надо выбирать напряжение на эмиттерном и коллекторном переходах биполярного транзистора, чтобы обеспечить его работу в активной области?

6.Какие схемы обеспечивают усиление напряжения и тока?

7.Почему повторитель напряжения не способен усиливать входное напряжение, а повторитель тока – входной ток?

8.Почему дифференциальный каскад подавляет синфазные сигналы, к числу которых относятся помехи во входных цепях каскада? В каких приборах медицинской диагностики используется эта особенность ДК?

9.Какими средствами обеспечивают требуемый коэффициент и его стабильность в усилителях на ИОУ?

10.В каких усилителях на ИОУ целесообразно использовать последовательную, а в каких – параллельную обратную связь?

11.Какой вид обратной связи надо применять для стабилизации выходного напряжения усилителя на ИОУ: по напряжению или по току?

12.Для чего применяют коррекцию переходных и частотных характеристик усилителей с обратной связью?

13.Чем отличается интегральный компаратор напряжения от интегрального операционного усилителя?

______

32

2.ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА

Вмедицинских приборах применяют не только аналоговые устройства в виде ЭУ, но и цифровые устройства. Как известно, наиболее надежным и достоверным способом медицинской диагностики является обработка соответствующих данных компьютером, представляющим собой цифровое устройство.

Современные компьютеры строят на микропроцессорах, которые по архитектурным и структурным решениям аналогичны процессорам, предназначенным для обработки информации по соответствующей программе. Обрабатываемая информация представляется в виде двоичного кода.

Преобразование аналоговых сигналов в двоичный код производится АЦП, реализующим представление переменного аналогового сигнала в виде двоичных чисел 0 и 1. Состоит АЦП из интегральных компараторов напряжений и кодирующего устройства, построенного на логических элементах. Логические элементы являются важным элементом не только компьютеров, но и других устройств цифровой автоматики. На их основе строятся более сложные блоки: триггеры, регистры, сумматоры, счетчики, дешифраторы и др.

Для хранения программ, необходимых данных и т.д. компьютеры снабжаются памятью, состоящей из оперативного запоминающего и постоянного запоминающего устройств. Большинство всех этих элементов строят на электронных ключах.

2.1.Основные характеристики электронных ключей

Вцифровых устройствах транзисторы часто используются в качестве ключевых элементов, основное назначение которых заключается в замыкании и размыкании определенных цепей с помощью управляющих входных сигналов. Электронные ключи составляют основу современных импульсных и цифровых устройств и используются для усиления, формирования и генерирования импульсов. Они применяются в качестве элементов компьютеров, в

33

устройствах автоматического управления исполнительными элементами и т.д.

Ключевой элемент может находиться в двух положениях: в разомкнутом и замкнутом. Разомкнутому положению ключа обычно соответствует закрытое состояние транзистора или диода, а замкнутому – открытое, проводящее состояние. Переключение из одного состояния в другое производится входным управляющим сигналом: Uвх или Iвх. Под воздействием управляющего сигнала производится подключение цепи нагрузки к источнику энергии или отключение последнего в течение определенных промежутков времени.

Взамкнутом состоянии ключа происходит передача энергии в нагрузку. При этом для наиболее полного использования источника

идля уменьшения потерь необходимо, чтобы рассеиваемая на ключе энергия была как можно меньшей величины. Для удовлетворения указанного требования нужно выбирать элемент, обладающий, во-первых, малым остаточным напряжением в проводящем состоянии и, во-вторых, малым внутренним сопротивлением. По указанным характеристикам полупроводниковые ключи значительно превосходят электровакуумные.

При размыкании идеального ключа полностью прекращается передача энергии в нагрузку. Реальные ключевые элементы, используемые в практических схемах, обладают конечным внутренним сопротивлением в разомкнутом состоянии, что исключает полное отключение нагрузки от источника энергии. Это сопротивление определяется паразитными утечками и тепловыми токами р-п переходов.

Вустановившемся режиме параметры электронного ключа определяются переключательной характеристикой, представляющей

собой зависимость выходного напряжения Uвых или тока Iвых от входного управляющего сигнала: Uвх или Iвх. Наиболее часто используют переключательную характеристику в виде Uвых = F(Uвх) (рис. 2.1), которая характеризуется следующими параметрами:

• напряжением отпирания ключевого элемента Uвх.от, опреде-

ляемым как входное напряжение, при котором ток электронного ключа составляет 0,01–0,05 наибольшего тока;

34

•граничным значением входного напряжения Uвх.гр, при котором ключ находится на грани насыщения или ограничения выходного тока;

•выходными потенциалами ключа в закрытом и открытом со-

стояниях, первый из которых Uвых1 соответствует наибольшему по абсолютному значению уровню выходного потенциала, а второй Uвых0 – наименьшему.

Рис. 2.1. Переключательные характеристики электронного ключа для двух значений температуры Т1 и Т2 (а) и числа нагрузочных элементов N1 и N2 (б), подключенных к электронному ключу

На переключательной характеристике отмечаются положения стационарных рабочих точек открытого и закрытого состояний (см. точки А и В на рис. 2.1), на основании которых устанавливается помехоустойчивость электронного ключа. Она определяется максимально допустимым напряжением помехи Uпом. Помехоустойчивость характеризуется допустимыми значениями напряжения по-

мехи отпирающей Uпом0 и запирающей Uпом1 полярностей, определяемыми соотношением:

Uпом0 =Uвх.от −UвхА; Uпом1 =Uвх.В −Uвх.гр .

Температурную зависимость выходного напряжения Uвых ключа, а также его нагрузочную характеристику, определяемую зависимостью Uвых от нагрузки, можно установить на основании семейства

35

переключательных характеристик для различных температур (см. рис. 2.1, а) и нагрузок, подключенных к электронному ключу (см.

рис. 2.1, б).

В импульсных схемах при отпирании и запирании ключевого элемента происходят переходные процессы, продолжительностью которых определяется быстродействие ключевого элемента. Переходный процесс при отпирании электронного ключа можно разбить на две стадии: формирование фронта выходного импульса и формирование плоской вершины.

Запирание ключа также происходит в две стадии. На первой стадии происходит рассасывание избыточных носителей, накопленных у р-п переходов, или выход ключевого элемента из области ограничения тока. На второй стадии формируется срез выходного импульса.

Стадия формирования фронта количественно характеризуется двумя величинами:

• временем задержки выходного импульса t1,0зд , определяемым

как время, прошедшее с момента подачи входного импульса до момента нарастания выходного импульса до уровня 0,1 от своего установившегося значения;

• длительностью фронта выходного импульса tфр1,0 , в течение

которого выходной импульс нарастает от 0,1 до 0,9 своего установившегося значения.

На стадии формирования плоской вершины переходный процесс определяется постоянной времени накопления τн, которая характеризует продолжительность установления рекомбинации носителей заряда, и временем перезаряда паразитных емкостей. В ключе на биполярном транзисторе эта стадия начинается после насыщения транзистора. Когда транзистор попадает в область насыщения, изменение напряжения нагрузки практически прекращается. Но при этом переходный процесс продолжается, так как в базе транзистора все еще происходит увеличение концентрации носителей. Изменение заряда носителей приводит к изменениям напряжения на переходах и, соответственно, на нагрузке. Однако эти изменения столь незначительны, что практически ими можно пренебречь. Длитель-

36

ность времени установления заряда в базе транзистора можно оценить по формуле: tуст = (2 ÷3)τн .

Включевых элементах на униполярных транзисторах стадия формирования плоской вершины наступает после перехода транзистора в крутую область ВАХ. Длительность времени установления определяется временем перезаряда паразитных емкостей.

Стадия рассасывания избыточных носителей, накопленных у р-п переходов, количественно характеризуется временем рассасывания

tрас, определяемым как время, прошедшее с момента подачи запирающего импульса до момента смещения р-п переходов в обратном направлении.

Всхемах на униполярных транзисторах эта стадия отсутствует. После запирания р-п переходов и с перекрытием канала унипо-

лярного транзистора начинается стадия формирования среза выходного импульса, которая количественно характеризуется двумя величинами:

• временем задержки tзд0,1 , определяемым как время, в течение

которого срез выходного импульса изменяется на 0,1 от своего амплитудного значения;

•длительностью среза выходного импульса tср0,1 , т.е. временем,

втечение которого выходной импульс спадает от 0,9 до 0,1 своего амплитудного значения.

2.2. Электронные ключи на биполярных транзисторах

Области работы транзистора. Различают следующие области работы биполярного транзистора:

•область отсечки токов – при работе транзистора в этой области эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении;

•активная область – в этой области эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном;

•область насыщения – в этой области коллекторный и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении;

37

• инверсная активная область – в этой области коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном.

Области работы транзистора разграничиваются нулевыми значениями напряжений на эмиттерном Uэ и коллекторном Uк переходах. Напряжения Uэ и Uк определяются как разность электростатических потенциалов соответствующего перехода в неравновесном и равновесном состояниях.

Границы областей можно определить также по величине заряда неосновных носителей, которые накапливаются в базе непосредственно у коллекторного и эмиттерного переходов. Используя известные граничные условия Шокли:

можно установить, что на границах областей заряды неосновных носителей у эмиттерного Qэ и коллекторного Qк переходов определяются своими равновесными значениями Qэ0 и Qк0.

В установившемся режиме границы областей работы транзистора удобно определять по токовому критерию, который можно записать в следующем виде:

•при управлении транзистором по базовой цепи ток коллек-

тора в активной области Iк = IбβN, а при управлении по эмиттерной цепи Iк = IэαN, где Iб и Iэ – входные токи базы и эмиттера; βN и αN – коэффициенты передачи тока базы и тока эмиттера;

•при работе транзистора в области насыщения токовые критерии записываются так:

Iкн ≤ IбβN и Iкн ≤ IэαN,

где Iкн – ток коллектора в насыщении.

Глубина насыщения транзистора по базе и эмиттеру характеризуется коэффициентами

ВАХ транзисторов. В цифровых устройствах, как правило, используются транзисторные ключи с базовым управлением, т.е. Iвх = Iб. Поэтому ниже мы рассмотрим ВАХ транзистора при Iвх = Iб.

38

Коэффициент передачи тока эмиттера αN, а также коэффициент передачи тока базы βN являются функциями и входного тока.

пряжением отпирания транзистора. Обычно за напряжение отпирания Uот.т принимают то значение Uбэ, при котором ток базы Iб оказывается более чем на два порядка меньше наибольшего значения

тока базы: Iбн.гр = βIкн .

N

Входное сопротивление транзистора rвх.э рассчитывают по фор-

характеристике напряжение Uбн.гр, соответствующее наибольшему току базы Iбн.гр в рабочем диапазоне.

В области насыщения коллекторную ВАХ тоже можно линеаризовать, представив ее ломаной линией, состоящей из двух отрезков прямых линий (см. рис. 2.2). Одна из этих прямых проходит через граничную точку Iк = IбβN и параллельна оси напряжения, а другая – с наклоном rкэ касательно к крутому участку коллекторной характеристики (rкэ – выходное сопротивление насыщенного транзистора в схеме с общим эмиттером). Величину сопротивления rкэ, а также остаточного напряжения Uкэ0 определяют из коллекторной характеристики транзистора в области насыщения.

При работе в области отсечки транзистор достаточно полно описывается двумя характеристиками: входной, т.е. зависимостью

40