МИНОБРНАУКИ РОССИИ

–––––––——————————–––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

————————————————————

А. В. БЕЛОВ Е. В. САДЫКОВА Т. В. СЕРГЕЕВ

Проектирование и расчет узлов электронно-медицинской техники

Учебное пособие

Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в областирадиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров 200300 –“Биомедицинская инженерия”:

201000 –“Биотехнические системы и технологии”

УДК 621.375.147.3

ББК 32.844

Б 01

Белов А. В., Садыкова Е. В., Сергеев Т. В.

Б 01 Проектирование и расчет узлов электронно-медицинской техники: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. 96 с.

ISBN 978-5-7629-1127-6

Рассмотрены принципы построения автоанализаторов газового состава крови и гематологических, как пример проектирования и расчета узлов медицинской техники. Также описан оригинальный способ представления эквивалентной схемы любого электронного усилительного устройства на основе управляемого резистивного делителя и способ получения основных параметров и характеристик биполярных транзисторов на основе программой схемотехнического моделирования Micro-Cap, предварительный расчет однокаскадного усилителя по схеме с общим эмиттером.

Предназначено для студентов подготовки бакалавров и магистров по направлению 200300 «Биомедицинская инженерия» при изучении дисциплин «Узлы и элементы медицинской техники» и «Медицинские приборы, аппараты, системы и комплексы», а также может быть полезно инженерно-техническим работникам этой области знаний.

УДК 621.375.147.3

ББК 32.844

Рецензенты: кафедра медицинской радиоэлектроники ГОУ ВПО Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения; канд. биол. наук К. В. Константинов (НИИЭМ СЗО РАМН)

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

ISBN 978-5-7629-1127-6 ©СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011

Введение

Издание рассчитано на самостоятельную подготовку студентов, изучающих курс «Узлы и элементы медицинской техники» и «Медицинские приборы, аппараты, системы и комплексы», на расширение и углубление базовых знаний в области клинико-лабораторной и электронно-медицинской техники. Пособие естественным образом сочетается как с биологическими курсами, так и курсами технического профиля, затрагивающими основы создания современного медицинского оборудования и приборов.

Первая часть пособия, рассматривающая принципы построения автоанализаторов гематологического и газового состава крови, основывается на материале курсов лекций доцента Садыковой Е.В., читаемых бакалаврам и магистрам по направлению «Биомедицинская инженерия» о клинико-лабораторной технике.

В основу раздела, посвященного вопросам схемотехники, положена часть курса лекций, который в течение нескольких лет читался доцентом А. В. Беловым студентам кафедры биомедицинской электроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Понятия и принципы работы полупроводниковых усилителей составляют базис, на котором строится современная микроэлектроника, поэтому одной из основных задач пособия является ознакомление студентов с принципами работы и расчета полупроводниковых усилителей с использованием программ схемотехнического моделирования.

Материал пособия несколько отступает от стандартной учебной программы, что вызвано необходимостью уделить большее внимание физическим основам работы электронных схем, обычно этому уделяется мало внимания, а основной акцент делается на математическом описании процессов. За физическими и математическими разделами учебников нередко теряется практическая ценность информации, необходимой будущему инженеру. Такая информация сейчас в наибольшей степени концентрируется в области схемотехники – раздела, содержащего основные правила и приемы проектирования электронных схем.

Основной целью этой части пособия является введение в транзисторную аналоговую схемотехнику. С одной стороны, авторы не питают иллюзий по поводу возможности изложения всех тонкостей разработки полупроводниковых усилителей в рамках этой работы. С другой стороны, современная отечественная литература, посвященная вопросам аналоговой схемотехники, имеет много методических недостатков, в частности, перегружена рассмотрением второстепенных деталей, не позволяя сфокусировать внимание студента на сущности расчета и проектирования схем. Поэтому своей главной задачей авторы считают обучение аналоговой схемотехнике «в первом приближении», не вдаваясь в детали инженерного проектирования усилителей, а раскрывая его суть.

Используется подход, ставящий во главу угла понимание основ проектирования усилительных каскадов. При этом для внесения ясности в вопросы проектирования усилителей не рассматриваются такие вопросы, как гибридные h-параметры транзистора, эквивалентные схемы замещения транзистора, использование на начальном этапе проектирования внешних генераторов сигналов, разделительных конденсаторов, элементов нагрузки и динамических параметров усилителя. Отчасти это связано с возможностями программ схемотехнического моделирования, исключающих необходимость ручного расчета паразитных емкостных параметров схемы, таких, как C_КБ, C_БЭ и др. Таким образом, основной акцент сделан на расчете схемы усилителя по постоянному току (DC – direct current), выполняемом разработчиком, а параметры спроектированного каскада в динамическом режиме, по переменному току (AC – alternative current) вычисляются в программе схемотехнического моделирования, разработчик не может влиять на динамические параметры, задаваемые свойствами выбранного транзистора. Поскольку улучшить динамические параметры усилителя возможно только выбором более высокочастотного транзистора.

На взгляд авторов, наилучшей программой аналогового схемотехнического моделирования, особенно для учебных целей является Micro-Cap (американской фирмы Spectrum Soft), поскольку по сравнению с программами EWB, Simulink, Proteus, Spice, PCad она обладает рядом преимуществ, среди которых:

– наличие бесплатных демоверсий программы от 5-ой до 10-ой версии;

– удобный, максимально дружественный интерфейс, позволяющий быстро, без больших усилий, освоить правила работы с программой;

– наличие большого числа указателей и средств локальной поддержки и множество встроенных в программу примеров работы;

– возможность структурного моделирования на основе встроенных и создаваемых пользователем макросов;

– возможность производить математические действия с используемыми переменными;

– возможность выбора и отображения на графиках большого количества переменных (до 20) в линейном, полулогарифмическом и логарифмическом масштабах;

– удобный перенос схем и графиков результатов моделирования в стандартный текстовый процессор Word как в виде растровой, так и векторной графики.

Изучение программы схемотехнического моделирования Micro-Cap позволит студенту в дальнейшем осваивать и разрабатывать новые схемы, а также перейти к использованию программ сквозного проектирования радиоэлектронных средств.

Следует отметить, что при дальнейшем рассмотрении будут широко использоваться логарифмический и полулогарифмический масштабы, позволяющие анализировать работу транзистора при изменении параметров в широком диапазоне.

После изучения пособия студент должен:

– знать принципы работы и физико-химические методы, положенные в основу разработки автоанализаторов гематологического и газового состава крови;

– уметь самостоятельного рассчитывать схемs однокаскадного и многокаскадного усилителей по постоянному току и оценивать работу схемы с помощью программы Micro-Cap.