189433. lajstromszámú szabadalom • Szélessávú biopotenciál erősítő
1 2 _ 189 433 j A találmány tárgya bioelektromos aktivitás jeleit erősítő kapcsolási elrendezés. Rendeltetése, hogy biopotenciál előerősítőként működjék elektromiográfiás, elektroenkefalográfiás és elektrokardiográfiás berendezésekben. A biopotenciál erősítő felhasználható a méréstechnikában is, nagyellenállású mérőfejektől érkező kis erősségű jelek szélessávú erősítésére. Ismertek olyan biopotenciál erősítők, amelyek kis érintkezőfelületű mikroelektródákkal és más, 10 nagy kimeneti impedanciájú bioelektromos érzékelőkkel vannak ellátva. Ilyen például a dán DISA cég „DISA 1500” típusú elektromiográfiás rendszere. A „DISA 1500” elektromiográfiás rendszer hagyományos felépítésű szélessávú biopotenciál előerősítője tartalmaz FET tranzisztorokból felépülő kiszajú differenciál fokozatot, a differenciál fokozat egyenáramú üzemét biztosító áramgenerátort, azonos fázisú jelre történő negatív visszacsatolást, valamint a bemenetek és az elektróda kábel árnyékoló köpenye közé kapcsolt feszültség utánhúzókat, a kábel kapacitásának kompenzálására. A biológiai jelek erősítési feladatainak megoldásához - itt elsősorban az elektromiográfia és az elektroenkefalográfia által támasztott igények kielégítéséről van szó - az ilyen erősítők érzékenysége nem elég. Ezen kívül az erősítő elemeket a zaj követelményeknek megfelelően kell megválasztani. A kisfrekvenciás zaj és a DC drift radikális csökkentése köztudottan olyan erősítőknél érhető el, amelyeknél bemenő jel átalakítás történik (Moddemod). Emellett rendkívül szigorúak az univerzális biopotenciál erősítők bemenő paramétereivel szemben támasztott követelmények (pl. elektromiográfiás erősítők esetén a differenciál bemenő impedancia 250 MOhm, az azonosfázisú bemenő impedancia R^ > 1000 MOhm, a bemenő kapacitás < 20 pF), de az univerzális biopotenciál erősítők széles frekvenciatartománya is (0,5 Hz : 20 kHz) egy sor bonyolult, nehezen megoldható problémát jelent a bemenő jel átalakításával működő erősítő tervezésénél, mivel egy sor ellentmondásos követelménnyel kell számolni (mint pl. széles sáv, nagy bemeneti impedancia, kis zaj, nagy azonosfázisú zavarelnyomás). Az egyenáramú erősítők zaj-tulajdonságainak javítására született meg a javaslat az erősítő fokozatok párhuzamos kapcsolására (Sundkvist, Beckström : „Zaj és drift csökkentése erősítők párhuzamos kapcsolásával”. „Műszerek tudományos kutatása céljára”, 175, No. 7, 136-137. oldal). Az n darab erősítő, mint köztudott, zaj szem-15 20 25 30 35 40 45 50 pontjából ^n-szeres nyereséget biztosít. Az ismert 5g biopotenciál erősítők közül mind rendeltetését, mind pedig technikai megvalósítását tekintve az a berendezés áll a legközelebb, amelyet M. A. Ozsogin és A. B. Szimatov ismertették a „Mikroelektronikus, kis zajszintű, párhuzamosan kapcsolt béme- gQ nő fokozatokkal rendelkező biopotenciál erősítők” című cikkükben. A cikk a „Hírközlő eszközök technikája” ObseTechnicseszkaja 1981.3. kiadásában jelent meg. Ezen erősítő két erősítőegységgel van ellátva, - mindegyikben n darab FET tranzisztorral - úgy, hogy mindkét erősítő egységben az erősítő elemek bemenetei össze vannak kapcsolva. A tranzisztorok emitter (source) kivezetései mindkét erősítő egységben párosával vannak összekapcsolva és a megfelelő áramgenerátorokhoz csatlakoznak, amelyek biztosítják mindegyik differenciáló fokozat egyenáramú üzemének beállítását (a differenciáló fokozat tranzisztorpárból és a megfelelő áramgenerátorból épül fel és minden tranzisztor visszacsatoló ellenállással rendelkezik). Az erősítő elemek kimenetei az összegző ellenállásokon keresztül megfelelő fészültségkövető bemenetéire vannak kapcsolva. Ezek a feszültségkövetők pufferfokozatokként működnek mindkét erősítő egység feszültség összegző áramkörében. A feszültségkövetők kimenetei pedig a differenciál erősítő megfelelő bemenetéire csatlakoznak. Ennek megfelelően két kábelkapacitás semlegesítő fokozat kimenetei a bemeneti kábelek árnyékoló köpenyeire vannak kapcsolva. Ezen berendezésnek azonban van egy sor hiányossága. A közösmodusú és szimmetrikus bemeneti impedancia az említett felépítés esetén n-szer kisebb, mint egyedülálló differenciál fokozat esetén. Az azonosfázisú bemenő impedancia csökkenése a bemenő áramkör azonos fázisú zavarelnyomásának csökkenéséhez vezet, ez nemcsak hogy nem kívánatos, de sok esetben egyszerűen megengedhetetlen, például, ha az érzékelés nagy impedanciájú érzékelők segítségével történik (kis felületű tü- vagy felületi elektródák alkalmazásakor). Ezen kívül a fokozatok számával arányosan nő az erősítő bemenő kapacitása, ami viszont a biológiai objektum nagy kimenő ellenállása esetén leszűkíti a berendezés frekvenciatartományát. Ilymódon a fokozatok számának növelése rontja a biopotenciál erősítők bemenő paramétereit, ami korlátozza a párhuzamosan kapcsolható fokozatok számát, azaz az elérhető zajnyereség maximum értékét is. A szélessávú biopotenciál erősítők tervezésekor figyelembe kell venni azt az összetevőt is, amelyet az ellenállások termikus zaja hoz létre a bemenő fokozat ellenállásain. Gyakorlatban kivitelezett rendszereknél ez az összetevő - a kisáramú munkapontban működő bemenő fokozat erősítési tényezőjének alacsony értéke miatt - hasonló, sőt, meg is haladhatja az aktív elem belső zaját. Mivel az n elemből felépülő fokozat erősítési tényezője gyakorlatilag egyenlő az egy elemből felépülő fokozat erősítési tényezőjével, a termikus zaj hatása az egyes fokozatok munkaellenállásai és az összegző ellenállások miatt 2 n-szeresre nő. Mivel ilyen rendszerekben a bemeneti áramkör sokpólust képez, közös negatív visszacsatolás létrehozása gyakorlatilag megvalósíthatatlan. Ennek következtében az ilymódon kialakított biopotenciál erősítővel elérhető pontosság korlátozott. A találmány feladata a fenti hátrányok kiküszöbölése, valamint a biológiai mérőrendszer felbontóképességének fokozása a bemenő paraméterek javításával és a szélessávú, párhuzamos kapcsolású bemenő fokozatokkal rendelkező biopotenciál erősítő bemenetén jelentkező zaj csökkentésével. 2
