6. Дифференциальный усилитель и его применение для регистрации биопотенциалов

Биопотенциалы, возникающие в организме человека, очень малы по величине и в десятки и сотни раз меньше посторонних электромагнитных сигналов (помех), самопроизвольно поступающих на вход усилителя. В результате этого на выходе обычного усилителя будет наблюдаться очень большой и беспорядочно изменяющийся сигнал помехи, на фоне которого практически невозможно наблюдать слабый исследуемый сигнал. Поэтому, для усиления биопотенциалов используются дифференциальные усилители (Рис. 4). Их преимущество состоит в том, что они усиливают полезный сигнал и уничтожают сигнал помехи. Рассмотрим принцип его действия.

Д ифференциальный усилитель имеет три входных клеммы, одна из которых является опорной для двух других (рис. 4).

Один входной сигнал может быть приложен между клеммой Вх1 и опорной, другой – между клеммой Вх2 и опорной. При этом выходной сигнал является усиленной разностью двух входных сигналов:

U_вых = К (U_вх2 – U_вх1) .

Поэтому такой усилитель и называют дифференциальным, так как он усиливает не сами сигналы, а их разность (англ. difference – разность). Если на оба входа дифференциального усилителя поступают одинаковые сигналы (и по амплитуде, и по фазе), то на выходе усилителя сигнал будет отсутствовать.

Именно это свойство дифференциального усилителя оказывается чрезвычайно полезным для борьбы с помехами при регистрации слабых сигналов. Предположим, что необходимо усилить разность потенциалов в I-ом отведении ЭКГ. На рис. 4 показано, что электроды А (левая рука) и В (правая рука) подключены к клеммам Вх1 и Вх2 усилителя соответственно. Третий электрод соединяет общую клемму усилителя φ₀ с правой ногой пациента и служит опорным.

Напряжение, возникающее между электродом А (левая рука) и опорным электродом (правая нога) подаётся на вход 1 усилителя, а напряжение между электродом В (правая рука) и опорным электродом подаётся на вход 2, при этом на оба входа одновременно поступают идентичные помехи U_пом, которые могут быть значительно превышать величину полезного сигнала:

U_вх1 = φ_А–φ₀ +U_пом ; U_вх2 = φ_В–φ₀ +U_пом.

На выходе усилителя получим усиленную в К раз разность этих входных сигналов: U_вых = К (U_вх2 – U_вх1) = К(φ_В–φ_А) , которая представляет собой усиленный в К раз сигнал в I-ом отведении ЭКГ, а сигналы помехи взаимно уничтожаются.

Отметим, что потенциал φ₀ опорного электрода не влияет на выходной сигнал, поэтому этот электрод можно накладывать на любую точку тела пациента, из соображений удобства договорились накладывать его на правую ногу пациента, свободную от подключения стандартных отведений.

8. Порядок выполнения лабораторной работы «Определение частотной и амплитудной характеристик усилителя»

Цель работы: ознакомление с принципами усиления электрических сигналов и свойствами реальных усилителей; обучение методам регистрации амплитудной и частотной характеристик усилителя и правильному выбору усилителя в соответствии с параметрами усиливаемого сигнала.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Измерительная схема представлена на рис. 5. Как видно из этой схемы, переменное напряжение заданной частоты поступает c генератора на вход усилителя: Uвх = Uген, а напряжение на выходе усилителя Uвых измеряется отдельным вольтметром.

Р ис. 5 Измерительная схема для снятия частотной и амплитудной характеристик усилителя