Component
2.4.2 Lọc nhiễu trong tín hiệu sinh học
Tín hiệu tại đầu vào của bộ khuyếch đại bao gồm tín hiệu có ích yếu ớt và nhiễu (nh đã trình bày trong phần trên). Các bộ lọc sẽ loại trừ hoặc làm suy giảm nhiễu để lấy ra tín hiệu điện sinh học theo yêu cầụ Loại bỏ hoặc làm suy giảm nhiễu là một quá trình cơ bản và quan trọng nhất trong các thiết bị điện tử y tế. Nó ảnh hởng sâu sắc đến kết quả chẩn đoán, điều trị và có thể gây thiệt hại đến sinh mạng của con ngờị Dới đây sẽ quan tâm đến lọc nhiễu đồng pha và nhiễu hiệu-hai loại nhiễu chính trong tín hiệu điện sinh học.
a/.Lọc nhiễu đồng pha
Nhiễu đồng pha là loại nhiễu cơ bản nhất trong tín hiệu điện sinh và do nhiều nguyên nhân gây ra nh đã trình bày ở phần trên. Loại bỏ nhiễu đồng pha đợc thực hiện bằng nhiều phơng pháp: dùng điện cực không để nhiễu đồng pha truyền xuống
UVU2 U2 U1 t t URa t Lọc thông thấp RC
đất; dùng màn chắn nhiễu cho toàn bộ các khối của thiết bị ..vv. Trong kênh khuyếch đại tín hiệu, lọc nhiễu đồng pha đợc thực hiện đầu tiên ngay tại tầng khuyếch đại điện cực, sau đó đợc lọc bỏ hết ở các tầng tiền khuyếch đạị
Lọc nhiễu đồng pha trong kênh có thể thực hiện bằng các mạch khuyếch đại vi saị Trong phơng pháp này bộ khuyếch đại vi sai sẽ khuyếch đại hiệu điện áp giữa các điện cực A và B : UVh= (UV1-UV2) /2 và các điện áp không đổi mức trung bình (tức là nhiễu đồng pha) trên các điện cực đó so với điện cực phụ (còn gọi là điện cực không) : UVd= (UV1+UV2) /2 với hệ số truyền đạt của tín hiệu hiệu (tín hiệu có ích) lớn hơn rất nhiều so với hệ số truyền đạt điện áp mức trung bình của nhiễụ Dới đây sẽ đề cập đến một cách cụ thể hơn:
• Lọc nhiễu đồng pha dùng khuyếch đại vi sai
Phơng pháp lọc này dựa vào đặc điểm khuyếch đại rất khác nhau giữa tín hiệu đồng pha (nhiễu) và tín hiệu hiệu (tín hiệu có ích) của bộ khuyếch đại vi saị Hình 2.14 chỉ ra sơ đồ tầng khuyếch đại vi sai với các đầu vào, đầu ra và mạch khuyếch đại vi sai đơn giản dùng Tranzito mắc theo kiểu EC.
Hình 2.14- Sơ đồ mạch khuyếch đại vi sai
Trong sơ đồ mạch khuyếch đại vi sai trên hình 2.14, tín hiệu vào có thể chia ra thành hai thành phần: thành phần tín hiệu đồng pha và thành phần tín hiệu ngợc pha hay tín hiệu hiệu, xác định nh sau:
UVd = (UV1+UV2)/2 UVh = (UV1-UV2)/2 (2.11) E+ URa1 URa2 UV1 UV2 Rc Rc RE Rn Rn T 1 T 2 UV1 UV2 URa1 URa2 E-
tơng tự, tín hiệu ra cũng có hai thành phần : thành phần tín hiệu đồng pha và thành phần tín hiệu hiệu :
URad = (URa1+URa2)/2 URah = (URa1-URa2)/2 (2.12) Do đó UV1 và UV2 đợc biểu diễn thông qua UVd và UVh nh sau:
UV1= UVd+UVh UV2= UVd - UVh (2.13) Ngoài các tính chất và các thông số của một bộ khuyếch đại, tầng khuyếch đại vi sai còn đặc trng bởi các hệ số nh : hệ số khuyếch đại tín hiệu đồng pha Kđ, hệ số khuyếch đại tín hiệu hiệu Khh, hệ số biến đổi tín hiệu đồng pha đầu vào thành tín hiệu hiệu đầu ra Kdh và hệ số biến đổi tín hiệu hiệu đầu vào thành tín hiệu đồng pha đầu ra Khd. Các hệ số này có quan hệ với tín hiệu vào và ra nh sau:
Kđ= URad/ UVd (khi UVh=0) Khh= URah/ UVh (khi UVd=0) Kdh= URah/ UVd (khi UVh=0) Khd=URad/UVh (khi UVd=0) (2.15)
Thông thờng hệ số Kdh có hai ý nghĩa: nếu tầng khuyếch đại vi sai có hai nhánh cân bằng lí tởng thì chỉ có tín hiệu đầu ra đồng pha khi có tín hiệu đồng pha ở đầu vào, còn nếu hai nhánh tầng khuyếch đại vi sai không cân bằng thì tín hiệu đầu ra sẽ có thêm thành phần nhiễu hiệu và tín hiệu nhiễu này sẽ đợc tầng tiếp theo khuyếch đại giống nh tín hiệu có ích. Tuy nhiên hệ số này khá nhỏ so với các hệ số khuyếch đại còn lạị Có thể đánh giá khả năng tách nhiễu đồng pha thông qua hệ số nén tín hiệu đồng pha G (CMRR-Common Mode Rejection Ratio) đợc xác định bởi tỉ số giữa hệ số khuyếch đại tín hiệu hiệu và hệ số khuyếch đại tín hiệu đồng pha và cũng có thể gọi nó là hệ số phân biệt. Từ quan hệ giữa các hệ số khuyếch đại và hệ số biến đổi tín hiệu có thể định nghĩa hệ số cắt H và hệ số phân biệt G để đặc tr ng cho khả năng lọc nhiễu đồng pha theo tỉ số nh sau:
Hai hệ số cắt H và G rất thuận tiện để sử dụng trong tính toán và đặt các yêu cầu cụ thể cho từng cụm trong các kênh khuyếch đại nhiều tầng. Về mặt ý nghĩa, hệ số cắt H đặc trng cho tính đối xứng các nhánh của khuyếch đại vi sai đối với tín hiệu vào đồng pha và tín hiệu ra hiệu, khi hai nhánh đối xứng lí tởng thì H → ∞. Hệ số phân biệt G chỉ ra rằng tín hiệu có ích (tín hiệu hiệu) đợc khuyếch đại gấp bao nhiêu lần nhiễu (tín hiệu đồng pha). Trên thực tế để lọc nhiễu đồng pha tốt yêu cầu hệ số G của bộ khuyếch đại vi sai có giá trị khá lớn (> 80 dB). Thông thờng ngời ta tính G theo dB: G=20 x Log(Khh/Kđ) [dB]
• Lọc nhiễu dùng nhiều tầng khuyếch đại vi sai nối tiếp
Chúng ta xem xét khả năng tách nhiễu đồng pha ở sơ đồ khuyếch đại có hai tầng khuyếch đại vi sai nối tiếp nhau nh trên sơ đồ hình 2.15.
Hình 2.15-Sơ đồ lọc nhiễu dùng hai bộ khuyếch đại vi sai nối tiếp
Khi hai tầng khuyếch đại vi sai mắc nối tiếp, hệ số nén nhiễu đồng pha G không phải là tích của các hệ số tách nhiễu của từng tầng mà nó có quan hệ với các hệ số cắt Hi và hệ số phân biệt Gi của từng tầng. Quan hệ giữa các hệ số H, G đã đợc tìm thấy nh sau :
Khi có hai bộ khuyếch đại vi sai mắc nối tiếp:
21 1 2 1 1 2 1 1 1 1 1 1 ; 1 1 1 G G H G H G H G H H + + = + = (2.17)
Trong trờng hợp nối tiếp ba tầng vi sai 1, 2, 3 ta có hệ số G là :
U11 Kđ1; Khh1