Усилитель биоэлектрических сигналов

 

Усилитель биоэлектрических сигналов содержит предварительный усилитель 1, канал 2 усиления постоянных потенциалов и каналы 3, 4 усиления переменных составляющих сигнала, причем предварительный усилитель 1 состоит из операционных усилителей 5, 6 дифференциальных оптронов (ДО) 7, 8 резисторов 9, конденсатора 10. Каждый ДО содержит светодиод 11, 12 и по два фотодиода 13, 14 и 15, 16, а в каналы 3 и 4 последовательно включены фильтры 17 и 18. Цель изобретения - повышение точности усиления постоянных потенциалов. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 А 61 В 5/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и (21) 4426461/14 (22) 31.05.88 (46) 07.11.91. Бюл. М 41 (71) Научно-исследовательский институт экспериментальной медицины AMH СССР (72) С. Г. Данько (53) 615.47(088.8) (56) Физиологический журнал СССР, 1984, т.

70, М 7, с, 1061, 1065. (54) УСИЛИТЕЛЬ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

СИГНАЛОВ,„. Ж,, 1688843 Al (57) Усилитель биоэлектрических сигналов содержит предварительный усилитель 1, канал 2 усиления постоянных потенциалов и каналы 3, 4 усиления переменных составляющих сигнала, причем предварительный усилитель 1 состоит иэ операционных усилителей 5, 6 дифференциальных оптронов. (ДО) 7, 8 резисторов 9, конденсатора 10.

Каждый ДО содержит светодиод 11, 12 и по два фотодиода 13, 14 и 15, 16,, а в каналы 3 и 4 последовательно включены фильтры 17 и 18. Цель изобретения — повышение точности усиления постоянных потенциалов. 1 ил, 1688843

20

30

40.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для усиления и исследования электрических потенциалов органов и тканей, прежде всего мозга и сердца.

Цель изобретения — повышение точности усиления постоянных потенциалов сигнала.

На чертеже представлена схема усилителя.

Усилитель биоэлектрических сигналов содержит предварительный усилитель 1, канал 2 усиления постоянных потенциалов, каналы 3, 4 усиления переменных составляющих (число каналов усиления переменных составляющих может быть различным).

Предварительный усилитель 1 содержит операционные усилители 5, 6 дифференциальные оптроны 7, 8, резисторы 9, конденсатор 10. Каждый дифференциальный оптрон содержит светодиод 11 (12) и по два фотодиода 13, 14 (15, 16). Один из входов усилителя соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 5 и неинвертирующим входом операционного усилителя 6. Второй вход усилителя соединен с анодом фотодиода 16 и с общей точкой последовательно соединенных двух резисторов 9. Анод фотодиода 16 соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 5, с инвертирующим входом операционного усилителя 6 и с резистором 9.

Выход операционного усилителя 5 соединен с анодом светодиода 11, операционного усилителя 6 — с анодом светодиода 12. Катоды светодиодов соединены с .нулевой точкой усилителей 5 и 6. Анод.фотодиода 13 соединен с третьим резистором 9 и входами усилителей каналов 2 постоянного потенциала и каналов 3, 4 переменных составляющих. Катод фотодиода 13 соединен с катодом фотодиода 15 и с общей точкой третьего и четвертого резисторов 9. Анод фотодиода 15 соединен с четвертым резистором 9 и с общей шиной корпуса каналов

2, 3, 4. Конденсатор 10 подключен между анодами фотодиодов 14 и 16, В каналы 3, 4 последовательно включены фильтры 17 и

18. Выходы каналов 2, 3, 4 являются выходами усилителя биоэлектрических сигналов.

Сопротивление резисторов 9 выбирается достаточно большим, чтобы ток через светодиоды не превышал допустимой величины при обеспечении необходимого компенсирующего напряжения на этих резисторах, и достаточно малым для уменьшения влияния нелинейного сопротивления фотодиодов на эквивалентную постоянную времени цепи конденсатора 10 в динамическом диапазоне входных сигналов. Емкость конденсатора 10 выбирается так, чтобы произведение этой емкости и удвоенного сопротивления резистора 9 было равно обратной величине круговой верхней граничной частоты диапазона постоянных потенциалов биоэлектрических сигналов (ниже 0,05 Гц).

Усилитель работает следующим образом.

Для постоянных потенциалов конденсатор 10 не оказывает влияния на прохождение сигнала. В этом случае при появлении на входе усилителя положительного напряжения сигнала на выходе операционного усилителя 5 появляется положительное напряжение, создающее ток через светодиод

11, а на выходе операционного усилителя 6 — отрицательное напряжение, запирающее светодиод 12. Излучение светодиода 11 выэывает появление фотогальванической ЭДС на фотодиоде 14 и, соответственно, падения напряжения на параллельном ему резисторе 9. Это напряжение направлено встречно источнику сигнала и действует как компенсацконное напряжение отрицательной обратной связи. При появлении на входе усилителя отрицательного напряжения сигнала ток протекает через светодиод 12, светодиод 11 заперт, компенсирующее напряжение появляется на резисторе, параллельном фотодиоду 16. Компенсирующее напряжение согласно известным соотношениям для схем с последовательной отрицательной обратной связью отличается от напряжения источника сигнала на малую величину 1/(1+К), где К вЂ” коэффициент передачи операционного усилителя без обратной связи, умноженный на коэффициент передачи светодиод — фотодиод оптрона по напряжению, что обеспечивает результирующий ток во входном контуре в 1+К раэ меньший, чем без обратной связи. Напряжение на резисторах 9, параллельных фотодиодам 13 и15, равны соответственно ) напряжениям на резисторах второй цепи и практически равны напряжениям источника сигнала той или иной полярности и могут быть переданы далее через канал 2.

Для переменных составляющих сигнала компенсирующее напряжение на конденсаторе 10 будет тем меньше напряжения на резисторе, параллельном фотодиоду открытого оптрона, чем выше частота. составляющей. Соответствующее напряжение на резисторах 9, параллельных фотодиодам 13 и 15, будет выше компенсируемого напряжения источника биосигнала. В этой области частот усиление предварительного усилителя (передача на вход каналов) для

1688843 регистрации через биообъект, избежав при этом зашумления слабых высокочастотных составляющих биоэлектрической активнолах полосы пропускания соответствующих каналов. б иосигналов будет пропорциональна часто- сти мозга шумами оптронов, и тем самым те. Для передачи шумов оптронов эта зави- повысить точность измерения постоянных симость отсутствует, т. е, отношение потенциалов мозга. сигнал/шум оптронов в этой области частот Дополнительным преимуществом. усибудетулучшаться с ростомчастоты, 5 лителябиоэлектрическихсигналовявляется

Анализ математических соотношений в гальваническая развязка предварительного этой схеме дает следующие выражения ком- усилителя и каналов усилителя благодаря плексного коэффициента передачи предва- передаче сигнала на вход последних через рительного усилителя по напряжению: для оптроны, что существенно повышает злектсигналов робезопасность клинических исследований

К К О 1 +) м7 мозга и тканей человека.

1+К 1+ )Nr

Кто Формула изобретения для шумов оптронов (считая шумы Фотодиодов одинаковыми) Усилитель биоэлектрических сигналов, К = 1 + y ", содержащий предварительный усилитель, 1 + o 1 + ®< канал усиления постоянных потенциалов и

" + К о каналы усиления переменных составляюгде K — коэффициент усиления операцион- щих-сигнала, отличающийся тем, что, ного усилителя без обратной связи; po — 20 с целью повышения точности усиления покоэффициент передачи в цепи обратной стоянных потенциалов сигнала, предварисвязи(напряжения сигнала с выхода опера- тельный усилитель содержит два ционного усилителя на резистор 9, парал- операционных усилителя, два дифференцилельный фотодиоду открытого оптрона); альных оптрона, четыре резистора и конй) — круговая частота; r =2ЯС, где R — сопро- 25 денсатор, причем инвентирующий вход тивление резистора 9; С вЂ” емкость конден-,первого операционного усилителя соедисатора 10. анен с неинвертирующим входом второго

Этивыражения подтверждают,чтовоб- операционного усилителя и с анодом пеотичеотот 1 сог - Š—  — отношение 3О ПЕРВОГО фптОАИОАВ ПЕР Р

7 r инвертирующий вход первого опера-, мощности спектральных составляющих сиг- ционного усилителя соединен с инвертирунала к мощности спектральных составляю-, ющим входом второго операционного щих шумов оптронов увеличивается на усилителяиспервымвходомпредварительвыходе предварительного усилителя про- . ного усилителя, выход первого операционпорционально квадрату частоты. Э5: ного усилителя подключен к аноду

Возникающие при таком построении,: светодиода первого оптрона, выход второго предварительного усилителя частотные ис- операционного усилителя подключен к анокажения спектра сигнала корректируются ду светодиода второго оптрона, катоды свевведенными в каналы переменных состав- тодиодов соединены с общей шиной. ляющих Фйльтрами с коэффициентами пе- 40 предварительного усилителя, катоды фоторедачи по напряжению, обратно диодов каждого из оптронов соединены пропорциональными частоте в полосе междусобой попарно, анодпервогофотодипропускания соответствующего канала, ода второго оптрона соединен с вторым вхоТаким образом, введение в состав уси- дом предварительного усилителя, анод лителя биоэлектрических сигналов предва- "5 второго Фотодиода первого оптрона соедирительного усилителя, содержащего нен с шиной корпуса каналов, анод второго операционные усилители, дифференциаль- фотодиода второго оптрона соединен с вхоные оптроны, резисторы и конденсатор, со- дами каналов, резисторы подключены паединенные укаэанным образом между раллельно фотодиодам, конденсатор— собой, наряду с введением в каналы усиле- 50 между анодами первых фотодиодов оптрония переменных составляющих фильтров с нов, а к каналам усиления переменных сообратной пропорциональностью коэффици- ставляющих сигналов дополнительно ента передачи частоте позволяет еущест-. последовательно подключены частотные венно повысить входное сопротивление, фильтры с коэффициентами передачи, обуменьшить ток, протекающий в процессе 55 ратно пропорциональными частоте в преде