Component
2.4 Khuyếch đại tín hiệu điện sinh học và các phơng pháp lọc nhiễu 1 Khuyếch đại tín hiệu điện sinh học
2.4.1 Khuyếch đại tín hiệu điện sinh học
Tín hiệu điện sinh học nằm ở dải tần số thấp và cực thấp, gần với tín hiệu điện một chiều, vì vậy các bộ khuyếch đại tín hiệu điện sinh học thờng là các bộ khuyếch đại tín hiệu biến đổi chậm hay các bộ khuyếch đại tín hiệu một chiềụ Căn cứ vào kiểu ghép nguồn tín hiệu với mạch vào của khuyếch đại ngời ta chia ra hai loại khuyếch đại một chiều: khuyếch đại trực tiếp và khuyếch đại biến đổi gián tiếp.
a/.Khuyếch đại một chiều ghép trực tiếp
Khuyếch đại ghép trực tiếp: các tầng trong kênh khuyếch đại có liên quan trực tiếp về nguồn tín hiệu tại đầu vào và đầu ra, tín hiệu ra của tầng này là nguồn tín hiệu vào của tầng kế tiếp, không ghép qua các phần tử cách li một chiềụ Việc ghép giữa nguồn tín hiệu với đầu vào khuyếch đại không thể dùng tụ hay biến áp vì đặc tuyến biên tần : f = 0 thì K = 0. Để truyền đạt tín hiệu biến đổi chậm cần phải ghép trực tiếp dòng một chiều giữa nguồn tín hiệu với mạch vào bộ khuyếch đại và giữa các tầng với nhaụ Do không thể có phần tử cách li một chiều tại mạch vào khuyếch
đại nên tại đầu ra khuyếch đại không chỉ có tín hiệu có ích đợc khuyếch đại mà còn có cả tín hiệu khác sinh ra do sự thay đổi chế độ một chiều của bộ khuyếch đại theo thời gian, nhiệt độ..vv. Trong các bộ khuyếch đại ghép trực tiếp vấn đề khử điện áp trôi (trôi điểm không) thờng đợc quan tâm đến. Các bộ khuyếch đại vi sai có ý nghĩa rất quan trọng trong khuyếch đại tín hiệu điện sinh học. Nó đợc sử dụng để khuyếch đại tín hiệu với độ trôi thấp(hiệu các điện áp trôi của trranzito), lọc nhiễu đồng pha và nhiễu hiệu-loại nhiễu rất phổ biến trong tín hiệu điện sinh học. Vì thế khuyếch đại vi sai đợc sử dụng rất phổ biến trong các thiết bị điện tử y tế.
Đối với các bộ khuyếch đại tín hiệu xoay chiều ngời ta không quan tâm đến hiện tợng trôi vì nó đợc loại bỏ bởi các phơng pháp ghép (ghép điện dung, ghép biến áp..vv). Mặt khác hiện tợng trôi chỉ làm thay đổi hệ số khuyếch đại của mạch và có thể khắc phục hiện tợng này bằng các mạch hồi tiếp âm.
Ngợc lại trong các bộ khuyếch đại tín hiệu một chiều (tín hiệu biến đổi chậm) quá trình trôi đợc khuyếch đại và đa đến đầu ra nh tín hiệụ Sử dụng các bộ khuyếch đại vi sai đối xứng lý tởng sẽ khử đợc hoàn toàn điện áp trôị
b/.Khuyếch đại một chiều ghép gián tiếp
Nguyên tắc của phơng pháp này là điều chế tín hiệu một chiều bởi tín hiệu xoay chiều trớc khi đa tới đầu vào bộ khuyếch đạị Hình 2.9 là sơ đồ khối mô tả phơng pháp và ví dụ một bộ điều chế dùng bóng bán dẫn. Do sử dụng các bộ khuyếch đại xoay chiều cho nên việc ghép tín hiệu giữa các tầng khuyếch đại có thể cách li một chiều bằng các phần tử điện kháng để loại bỏ hiện tợng trôi không.
URa 1 2 3 UV URa UV RB R A C
Hình 2.9-Sơ đồ khối và mạch điều chế tín hiệu dùng bóng bán dẫn
1- khối điều chế ; 2-khối khuyếch đại xoay chiều; 3-khối giải điều chế.
Trong ví dụ này tín hiệu điện áp một chiều UV đợc biến đổi thành tín hiệu điện áp xoay chiều Ura bởi tín hiệu xung xoay chiều đặt vào bazơ của tranzitọ Tín hiệu đã điều chế Ura sẽ đợc đa đến đầu vào của khối khuyếch đại thông qua tụ C.
Phơng pháp ghép gián tiếp có u điểm lớn : trôi rất nhỏ, tín hiệu sau khuyếch đại thuận tiện cho việc xử lý tiếp theo và cách li hoàn toàn ngời bệnh khỏi nguồn điện công nghiệp để đảm bảo an toàn cho bệnh nhân.
c/.Một số sơ đồ khuyếch đại tín hiệu một chiều
Mạch khuyếch đại vi sai dùng mạch tổ hợp (IC) đợc thể hiện trên hình 2.10:
Hình 2.10- Mạch khuyếch đại vi sai
Trên sơ đồ hình 2.10 tín hiệu vào UV = UP - UN là hiệu của hai tín hiệu đầu vào sẽ đợc khuyếch đại K0 lần (K0>0) và đa tới đầu ra Ura đợc xác đinh nh sau:
Ura=K0Uv hay URa = K0 (UP - UN) (2.10) Trong đó :
UP - Điện áp vào cực không đảo; UN - Điện áp vào cực đảo; UV - Điện áp hiệụ Trong trờng hợp UN = 0 thì URa = K0UP và URa sẽ đồng pha với UV.
Một kiểu khuyếch đại tín hiệu một chiều sử dụng điều chế biên độ ghép cách li bằng biến áp đợc chỉ ra trên hình 2.11. Trong sơ đồ sử dụng mạch cầu để điều chế và giải điều chế. Phần điều chế có thể dùng mạch cầu cân bằng hoặc không cân bằng. Mặc dù mạch cầu cân bằng có chất lợng cao nhng phức tạp hơn mạch cầu
+- - URa +Ucc -Ucc UP UN
không cân bằng. Tơng tự, phần mạch giải điều chế có thể là cân bằng hoặc không cân bằng hoặc có thể dùng tách sóng bằng điôt thông thờng.
Hình 2.11-Mạch khuyếch đại một chiều kiểu điều chế biên độ cách li bằng biến áp
Mạch điều chế và giải điều chế ghép qua biến thế cách li có điện dung tạp tán nhỏ giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp để đảm bảo cách li hoàn toàn về điện và sự trung thực của tín hiệụ
Sơ đồ khuyếch đại một chiều sử dụng biến đổi độ rộng xung đợc chỉ ra trên hình 2.12. Tín hiệu một chiều đợc so sánh với tín hiệu răng ca tại bộ so sánh dùng khuyếch đại thuật toán, đầu ra sẽ nhận đợc tín hiệu điều chế độ rộng xung
Hình 2.12-Mạch khuyếch đại một chiều biến đổi độ rộng xung
UV Bộ Bộ dao động Biến áp cách li URa + - U1 +Ucc -Ucc UV U Ra Sửa xung U2 C R
Sau khi khuyếch đại tín hiệu đợc ghép qua biến áp cách li rồi đa đến bộ sửa xung, mạch lọc thông thấp RC sẽ giải điều chế tín hiệụ Quá trình biến đổi tín hiệu đợc thể hiện trên hình 2.13.
Hình 2.13-Dạng tín hiệu của bộ khuyếch đại sử dụng điều chế độ rộng xung
Nhợc điểm chính của phơng pháp ghép cách li bằng biến áp là kích thớc mạch cồng kềnh và khó tích hợp trong không gian nhỏ.