Ιατρικά Ηλεκτρονικά Δρ. Π. Ασβεστάς Τμήμα Μηχανικών Βιοϊατρικής Τεχνολογίας Τ.Ε Χρήσιμοι Σύνδεσμοι Σημειώσεις μαθήματος: http://medisp.bme.teiath.gr/eclass/courses/tio127/ E mail: pasv@teiath.gr 2 1
Μειονεκτήματα Αφαιρέτη Σε έναν αφαιρέτη, θεωρώντας ότι και, η αντίσταση εισόδου περίπου ίση με. Το γεγονός αυτό δημιουργεί πρόβλημα όταν επιθυμείται υψηλό κέρδος διαφορικού σήματος. Στην περίπτωση αυτή, η θα είχε σχετικά χαμηλή τιμή. Για παράδειγμα, για κέρδος διαφορικού σήματος 1000 η θα έπαιρνε την τιμή 100Ω και η την τιμή 100kΩ. Η χρήση υψηλότερων τιμών αντιστάσεων, ειδικά για τη θα δημιουργούσε πρόβλημα, καθώς θα αυξανόταν ο θόρυβος στο κύκλωμα (Οι αντιστάσεις παράγουν τον λεγόμενο θερμικό θόρυβο ή θόρυβο Johnson, ο οποίος είναι ανάλογος της τιμής της αντίστασης). 3 Μειονεκτήματα Αφαιρέτη Λύσηστοπρόβλημααυτόπαρέχειηχρήσηαπομονωτώνστις δύο εισόδους του αφαιρέτη. 4 2
Μειονεκτήματα Αφαιρέτη Ένα άλλο πρόβλημα που παρουσιάζει ο αφαιρέτης είναι όταν επιθυμείται να αλλαχθεί το κέρδος διαφορικού σήματος. Στην περίπτωση αυτή, θα πρέπει να αλλαχθούν 2 αντιστάσεις, ώστε να διατηρείται η ισότητα των λόγων των αντιστάσεων. Συνήθως, για την παράκαμψη αυτού του προβλήματος, το κύκλωμα του αφαιρέτη τροποποιείται ώστε να δημιουργηθεί ο ενισχυτής οργανολογίας (instrumentation amplifier). 5 Ενισχυτής Oργανολογίας Χαρακτηριστικά Ο ενισχυτής οργανολογίας έχει: Υψηλότερο CMRR από τον αφαιρέτη. Πολύ μεγάλη αντίσταση εισόδου. Κέρδος διαφορικού σήματος ρυθμιζόμενο από την αντίσταση. 6 3
Ενισχυτής Οργανολογίας Κέρδος Εφαρμόζοντας τον δεύτερο κανόνα για Τ.Ε με αρνητική ανάδραση (δηλ. δεν ρέει ρεύμα στους ακροδέκτες ενός Τ.Ε.), προκύπτει ότι οι δύο αντιστάσεις και η αντίσταση διαρρέονται από το ίδιο ρεύμα. Επιπλέον από τον πρώτο κανόνα, η διαφορά δυναμικού στους ακροδέκτες των και είναι μηδέν. 7 Ενισχυτής Οργανολογίας Κέρδος Εφαρμόζοντας τον νόμο του Ohm στην πάνω αντίσταση και στη και εξισώνοντας τα ρεύματά τους έχουμε ότι: 1 8 4
Ενισχυτής Οργανολογίας Κέρδος Εφαρμόζοντας την ίδια διαδικασία για την κάτω αντίσταση και την αντίσταση προκύπτει η ακόλουθη σχέση: 1 9 Ενισχυτής Οργανολογίας Κέρδος Από τη σχέση για τον αφαιρέτη προκύπτει τελικά ότι: 1 2 10 5
Ενισχυτής Οργανολογίας Κέρδος Η ποσότητα αποτελεί το κέρδος διαφορικού σήματος για τον ενισχυτή οργανολογίας. 11 Ενισχυτής Οργανολογίας Κοινό Σήμα Στην περίπτωση όπου κοινό σήμα εμφανιστεί στις δύο εισόδους, τότε με χρήση του πρώτου κανόνα των Τ.Ε., η τάση στα δύο άκρα της αντίστασης θα είναι. Επομένως, το ρεύμα στη, όπως και στις δύο αντιστάσεις είναι μηδέν με αποτέλεσμα. 0 0 0 12 6
Ενισχυτής Οργανολογίας Κοινό Σήμα Δηλαδή, το κοινό σήμα εμφανίζεται αυτούσιο στις εξόδους των και και απορρίπτεται από τον αφαιρέτη που ακολουθεί. Το σημαντικό είναι ότι η παρατήρηση αυτή ισχύει ακόμα και εάν οι δύο αντιστάσεις δεν είναι ίδιες. 0 0 0 0 13 Ενισχυτής Οργανολογίας Συμπεράσματα Ο λόγος είναιτοδιαφορικόκέρδοςαπότοναφαιρέτηπου σχηματίζουν ο και οι αντιστάσεις και. Συνήθως, στην πράξη επιλέγεται 1. Η ποσότητα 1 αποτελεί το τμήμα του κέρδους διαφορικού σήματος που οφείλεται στο κύκλωμα που απαρτίζουν οι, και οι αντιστάσεις και. Το συνολικό κέρδος διαφορικού σήματος μπορεί να ρυθμιστεί μόνο από τη, ενώ ο αφαιρέτης χρησιμοποιείται για την απόρριψη κοινού σήματος. 14 7
Ενισχυτής Οργανολογίας CMRR Το γεγονός ότι το το κοινό σήμα εμφανίζεται αυτούσιο στις εξόδους των και συντελεί στη δημιουργία υψηλού λόγου απόρριψης κοινού σήματος στον ενισχυτή οργανολογίας. Για παράδειγμα, έστω ένας ενισχυτής οργανολογίας με συνολικό κέρδος διαφορικού σήματος 100. Εάν, το κύκλωμα του αφαιρέτη έχει 1 και λόγο απόρριψης κοινού σήματος 1000 (δηλ. 60dB), τότε η πρώτη βαθμίδα του ενισχυτή οργανολογία έχει λόγο απόρριψης δηλ. (40dB). O συνολικός λόγος απόρριψης κοινού σήματος θα είναι 1000 100 10, δηλαδή 100 db. 15 Μονολιθικός Ενισχυτής Οργανολογίας Στην πράξη, ένας ενισχυτής οργανολογίας δεν υλοποιείται με διακριτά στοιχεία (δηλαδή με 3 τελεστικούς ενισχυτές και 7 αντιστάσεις). Αντ αυτού, χρησιμοποιείται ένας μονολιθικός ενισχυτής οργανολογίας, δηλαδή ένας ενισχυτής οργανολογίας που είναι υλοποιημένος σε ένα και μόνο ολοκληρωμένο κύκλωμα (IC). Αυτό, εκτός από την οικονομία χώρου, εξασφαλίζει ότι οι αντιστάσεις και θα είναι ταιριασμένες (laser trimmed) προσφέροντας μεγάλη απόρριψη κοινού σήματος. 16 8
Μονολιθικός Ενισχυτής Οργανολογίας Ένα τέτοιο ολοκληρωμένο κύκλωμα είναι το AD620, το οποίο είναι ένας χαμηλού κόστους, υψηλής ακρίβειας μονολιθικός ενισχυτής οργανολογίας. Ελάχιστο κέρδος = 1 Μέγιστο κέρδος = 10.000. Ηαντίσταση συνδέεται μεταξύ των ακροδεκτών 1 και 8. Η τάση εξόδου,, προκύπτει στον ακροδέκτη 6 και ισούται με: όπου:, 17 Μονολιθικός Ενισχυτής Οργανολογίας Για παράδειγμα, έστω ότι στο AD620 είναι 1kΩ,τότετο διαφορικό κέρδος θα είναι 50,4. Εάν 50mVsin 2 100 500mV και 50mVsin 2 100 500mV, τότεθαισχύειότι: το διαφορικό σήμα είναι 100mVsin2 100 το κοινό σήμα θα είναι 0.5 500mV. Το διαφορικό σήμα θα ενισχυθεί με κέρδος 50,4, ενώ το κοινό σήμα θα απορριφθεί, οπότε έξοδος θα ισούται με 5,04 Vsin 2 100. 18 9
Μονολιθικός Ενισχυτής Οργανολογίας 19 Οι δύο είσοδοι του προηγούμενου παραδείγματος. Έχουν πλάτος 50mV, συχνότητα 100Hz και μέση τιμή 500mV (κοινό σήμα). Υπάρχει διαφορά φάση 180. Μονολιθικός Ενισχυτής Οργανολογίας 20 Η έξοδος του προηγούμενου παραδείγματος. Το κοινό σήμα των 500mV εξαλείφθηκε.το διαφορικό σήμα ενισχύθηκε περίπου 50 φορές. 10
Ενισχυτής Οργανολογίας Προστασία από Παρεμβολές Συνήθως, οι ενισχυτές οργανολογίας χρησιμοποιούνται για ενίσχυση ασθενών σημάτων σε περιβάλλοντα με έντονο ηλεκτρικό θόρυβο (π.χ. νοσοκομεία ή βιομηχανικές εγκαταστάσεις). Η μεταφορά των σημάτων γίνεται με καλώδια μεγάλου μήκους, στα οποία μπορεί να εμφανιστούν εξωτερικές ηλεκτρικές παρεμβολές με τη μορφή κοινού σήματος. Για τη μείωση του ηλεκτρικού θορύβου τα σήματα μεταφέρονται με θωρακισμένα καλώδια για την προστασία από εξωτερικό θόρυβο και παρεμβολές (π.χ. ομοαξονικό καλώδιο). Ένα θωρακισμένο καλώδιο όμως παρουσιάζει κατανεμημένες παρασιτικές χωρητικότητες μεταξύ κάθε καλωδίου μεταφοράς σήματος και της θωράκισης. 21 Ενισχυτής Οργανολογίας Προστασία από Παρεμβολές Οι παρασιτικές χωρητικότητες μπορεί να είναι διαφορετικές, ειδικά σε υψηλές συχνότητες, προκαλώντας ολίσθηση φάσης μεταξύ των κοινών σημάτων στις δύο γραμμές, όπως δείχνει και η εικόνα. Γραμμές σήματος Θωράκιση Τα κοινά σήματα είναι εκτός φάσης Ενισχυτής Οργανολογίας Κατανεμημένη παρασιτική χωρητικότητα μεταξύ γραμμής σήματος και θωράκισης (γη) Ολίσθηση φάσης λόγω διαφοράς στις παρασιτικές χωρητικότητες 22 11
Ενισχυτής Οργανολογίας Προστασία από Παρεμβολές Το αποτέλεσμα είναι μείωση του λόγου απόρριψης κοινού σήματος του ενισχυτή οργανολογίας, καθώς τα δύο κοινά σήματα δεν είναι πλέον σε φάση δημιουργώντας ένα διαφορικό σήμα στις εισόδους του. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να αντιμετωπιστεί με μία τεχνική γνωστή ως data guard 1. Σύμφωνα με την τεχνική αυτή, το κοινό σήμα οδηγείται πίσω, μέσω ενός απομονωτή, στο καλώδιο θωράκισης. Ο σκοπός είναι να ελαχιστοποιηθεί η διαφορά φάσης των κοινών σημάτων στην είσοδο του ενισχυτή του οργανολογίας, έτσι ώστε τα κοινά σήματα να είναι ίδια στις δύο γραμμές. 23 1 Αναφέρεται και ως signal guard ή shield guard Ενισχυτής Οργανολογίας Data guard σε υλοποίηση ενισχυτή οργανολογίας με διακριτά στοιχεία. 10Ω 10Ω 100Ω 24 12
Ενισχυτής Οργανολογίας Data guard σε μονολιθικό ενισχυτή οργανολογίας (π.χ. AD620), όταν χρησιμοποιείται κοινή θωράκιση. 25 Ενισχυτής Οργανολογίας Shield guard σε μονολιθικό ενισχυτή οργανολογίας για καλώδια με διαφορετική θωράκιση. 26 13
Ενισχυτής Οργανολογίας Πολλοί μονολιθικοί ενισχυτές οργανολογίας φέρουν έναν ειδικό ακροδέκτη, ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για data guard. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι το AD522. Γραμμές σήματος Θωράκιση 27 14