Усиление биоэлектрических сигналов
Прямое, непосредственное измерение биоэлектрического сигнала, или сигнала, созданного на выходе генераторного датчика, является трудновыполнимой задачей, так как эти сигналы обычно
весьма малы. Именно поэтому в структурной схеме (см. рис. 17.1) вторым элементом показан усилитель электрических сигналов.
Ради определенности проиллюстрируем особенности усиления медико-биологических электрических сигналов на примере биоэлектрических сигналов, т. е. тех сигналов, которые снимаются . электродами с биологического объекта.
Специфика усилителей биопотенциалов определяется следующими основными особенностями этой разновидности электрических колебаний: 1) выходное сопротивление биологической системы совместно с сопротивлением электродов обычно достаточно высоко; 2) биопотенциалы — медленно изменяющиеся сигналы; 3) биопотенциалы — слабые сигналы.
Рассмотрим подробнее эти вопросы. В § 17.2 отмечалась роль переходного сопротивления электрод — кожа на передачу биоэлектрического сигнала последующим элементам схемы. Оказывается, этим вопросом проблема сопротивлений не ограничивается: при усилении сигнала следует учитывать соотношения сопротивлений Rt и RBX [см. (17.1)]. Необходимо, как принято говорить, согласование сопротивления входной цепи усилителя и выходного сопротивления биологической системы.
Вопрос согласования полных сопротивлений (импедансов) достаточно сложный. Проиллюстрируем его лишь некоторыми особенностями взаимодействующих элементов электрической схемы.
Выразив из (17.1) силу тока / = ξбп/(Ri + RBX) и подставив в формулу для входного напряжения UBX усилителя, получим
![]() |
Из (18.5) следуют некоторые предельные случаи: 1) UBX → 0 при RBK → 0, т. е. на входе усилителя не будет напряжения, если его входное сопротивление равно нулю; 2) UBX → ξ6п при RBX →∞, т. е. максимально возможное напряжение на усилителе будет при бесконечно большом его входном сопротивлении. Во втором случае тока во входной цепи нет; следовательно, не будет передаваться и мощность от источника сигнала.
В реальной ситуации на входе усилителя окажется часть напряжения, генерируемого биологической системой и зависящего от отношения RJRвх [см. (18.5)].
Эти примеры обращают внимание на необходимость согласования сопротивлений. В электрофизиологии считают, что RBX должно в 10—20 раз превышать наибольшее возможное значение Rv
Малая частота биологических электрических сигналов приводит к тому, что в цепях усилителя невозможно использовать конденсаторы, так как при малых частотах значительно возрастает емкостное сопротивление [см. (14.33)]. Приходится использовать специальные усилители постоянного тока.
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 напряжения 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 приходится использовать каскад с небольшим коэффициентом усиления.
Так, например, переменный ток городской сети может наводить ЭДС вследствие электромагнитной индукции в рядом расположенных усилительных цепях и биологических объектах. Экранирование усилителя и проводников в его цепи, а также исследуемых систем, удаление этих элементов от проводников с переменным током позволяет устранить или уменьшить и эти помехи.
Если детали усилителя (электроды ламп, пластины конденсаторов и др.) будут колебаться, то это приведет к периодическому изменению параметров схемы и, как следствие, к возникновению случайных электромагнитных колебаний — микрофонный эффект. Укрепляя детали схемы и усиливая амортизацию, можно уменьшить или ликвидировать помехи и этого вида.
Большая группа помех получила название шумов (электронных шумов). Шумы слышны, например, в приемнике в виде шипения, треска и шороха. Особенно это заметно при большом усилении.
Термин «шумы» произошел от слухового восприятия электрических хаотических сигналов (в области частот 20 Гц — 20 кГц) при подключении репродуктора. Однако сейчас это понятие используется безотносительно к их частотному интервалу и тем более безотносительно к тому, воспроизводятся ли шумы звуковыми волнами или нет.
Шумы имеют разную физическую природу, в значительной степени они обусловлены флуктуациями токов, т. е. случайными отклонениями их от средней величины, что вызвано беспорядочными движениями электронов. Избавиться от шума достаточно сложно стараются изготовить специальные малошумящие транзисторы и лампы для использования в первых каскадах усилителей.
Искажения усиленного сигнала могут возникнуть и вследствие нестабильности источников питания, поэтому в некоторых случаях следует специально предусматривать стабилизацию напряжения.