المحاضرة التاسعة
الأربعاء، كانون الأول 3, 2014
9:39 AM
| 51 |
المحاضرة الماضية:
تضخيم الإشارات الحيوية، دارات التضخيم، الهدف منها تضخيم الإشارة وتأمين فصل كافي بين الإشارة الحيوية والضجيج.
مرحلة التضخيم الأولي دخلها هو خرج الالكترود. يجب في هذه المرحلة الانتباه إلى الممانعة العالية للمنبع.
في الحالة الحقيقية ينشا فرق بين الالكترودين نسميه كمون الإزاحة.
كمون نصف الخلية موجود في منطقة التماس بين الالكترود والكهروليت؟
يتعلق كمون نصف الخلية بالالكترود بصورة مستقلة، أما كمون الإزاحة فينتج عن كمون نصف الخلية من الالكترود الأول والثاني، ويتم استخدام الكترودين من نفس النوع ليلغي كمون نصف الخلية للأول كمون نصف الخلية للثاني، لكن في الحياة العملية يبقى هناك كمون إزاحة بسيط. (له علاقة)
Z1,Z2 هي ممانعات المنبع، ويجب قدر الإمكان مراعاة هذه الممانعات. يظهر أثر هذه الممانعات عند تطبيق التيار. في حال حصل استجرار تيار، يظهر هبوط كبير في الجهد على مقاومة الدخل العالية فيحدث تداخل بين هذا الجهد والإشارة الحيوية.
يهمنا ألا نستجر تيار من الالكترود، لكيلا يظهر أثر هذه الممانعات.
{يقوم الالكترود بقراءة الإشارة الحيوية وإظهارها على نهايته كهبوط جهد، نصمم دارة التضخيم الأولية بحيث يكون دخلها عال جدا بحيث تقرأ هذا الجهد دون سحب أي تيار يذكر.}
فرق المضخم الأداتي عن العملياتي هي ممانعة الدخل، يتميز العملياتي عن الأداتي بأنه له أكثر من ترتيبة حيث يمكن تصميم مقارن أو مكامل أو مفاضل بينما الأداتي يمكن استخدامه فقط كمضخم، يتميز الأداتي عن العملياتي بنسبة تضخيم ربط النمط المشترك cmrr أكبر.
لكي تبقى نسبة ربط النمط المشترك يجب أن تكون المقاومات المستخدمة متماثلة تماما، أي تغير رح ينشأ جهد نمط مشترك، cmrr تنخفض، التشكيلة الثانية: رفعنا قيمة التضخيم في مرحلة الدخل 1+2r2/r1، في هذه الحالة ينخفض التأثير على مرحلة الخرج، ضبط جهد الإزاحة لهذه المضخمات الثلاثة يعدل إشارة الخرج.
استنتاج الربح في المضخم الأداتي التالي:
| 52 |
تسلاية بالبيت (بصير تجي بالفحص).
يبقى مشكلة الإشارات المستمرة: الحل الأول إيقاف الإشارات عن طريق الدخل بواسطة إضافة مكثف (مرشح تمرير عالي) ونتخلص أيضا بها من الترددات المنخفضة، يتم استخدامه عند قياس الإشارات المتغيرة، في حال إشارات حيوية دي سي لا يمكن استخدام هذا المرشح.
مميزات هذه التركيبة، تخلصنا مباشرة من جهد الالكترودات بسبب التردد المنخفض لها. عامل ربح أعلى، تحسن cmrr
ممكن تسبب إشكال بسبب تيار شحن المكثف، حيث يمر تيار كبير يسبب هبوط جهد كبير هو بمثابة ضجيج لكن تتم قراءته على أنه إشارة حيوية.
أثر الفرق في ممانعة المنبع رح يكون أكبر. يمكن تحسين هذه المسألة عن طريق إدخال مقاومة وضبط التماثل في الممانعات وتحديد ثابت الشحن وبالتالي تردد القطع لدارة التمرير العالي.
مشكلة للترتيبة الثانية، تؤثر على ممانعة الدخل (تنقصها بسبب زيادة مقاومة على التفرع) وتؤدي إلى حالة عدم تماثل في ممانعة الدخل، تؤدي إلى تقليص cmrr التي يهمنا أن تكون عالية. إذا كان هناك عدم تماثل 1% لمقاومة بقيمة 1 ميغاأوم يؤدي إلى خسارة في cmrr بقيمة 60 ديسبل. بسبب المكثفات وعدم تماثلها يؤدي إلى قيمة عالية في فقد نسبة ربط النمط المشترك، لا يمكن التخلص منها تماما.
يتم التخلص من هذه المشاكل بتركيبة الربط المتناوب، تعطي ترشيح مضاعف ولها تأثر على cmrr لكن يكون بسيط بالنسبة للفائدة المستحصلة منها.
الترتيبة الثالثة: استبدال المقاومة R1 بمرشح تمرير عالي، من خلال استبدال المقاومة بمقاومة ومكثف على التسلسل، cmrr أعلى للترددات المنخفضة، قانون للربح 1+2r2/(r1+1/jwc) أي أنه للربح علاقة بالتردد، وإذا كانت الإشارة مستمرة فتكون لدينا ممانعة عالية وسيكون الربح واحدي.
في الترددات العالية الربح 1+r2/r1، وبالتالي نكون رجحنا تضخيم الإشارة المتغيرة على تضخيم الإشارة المستمرة أو ذات الترددات المنخفضة.
المحاضرة الجديدة:
المضخمات INA 118، المضخم الأداتي يستخدم فقط للتضخيم ونسبة الربح تحدد بمقاومة واحدة فقط (وهي نقطة سلبية له) يتم تحديد ربحه عن طريق rg
| 53 |
مميزاته: استطاعة مستهلكة قليلة 350 ميكرو أمبير، جهد الإزاحة منخفض جدا من رتبة الميكرو فولت (11 ميكرو في هذه الشريحة)، تيار تحييز دخل (هام لأنه يؤثر على عدم توازن ممانعة المنبع) 1 نانو، cmrr عالي حتى 118 ديسبل عند الربح 50.
مناسبة للقياسات الحيوية باستخدام الكترودات دون جل (ممانعة عالية).
مساوئ: استجابته الترددية لتغيرات ممانعة إشارة المنبع (أو الالكترودات) تكون منخفضة نسبيا.
أحد تطبيقات الدارة
مرحلة التضخيم الأولي تكون منفصلة عن باقي النظام، أو تكون أقرب ما يمكن من الالكترودات أو على شريحة واحدة في الدقيقة. لأنها تحول من ممانعة عالية إلى منخفضة
تمكننا فعليا (ممانعة منخفضة) من نقل الإشارة إلى منصات بعيدة عن المريض.
ممانعة خرج منخفضة، المراحل اللاحقة لا يهمنا أن نختار ممانعة دخل عالية (ممكن أن تكون مرشح فعال الذي لا يتمتع بممانعة دخل عالية جدا)، فرزت الإشارة الحيوية إلى حد ما. كذلك تقلل تأثير إشارات التداخل لأن مطالها منخفض بالمقارنة مع الإشارة الحيوية.
| 54 |
بالنسبة لـ دارة تسجيل الإشارة الحيوية: تمثل بعدة مراحل؛ التضخيم الأولي، ترشيح، مضخم العزل.
الترشيح: (مهمة جدا)
الهدف منها عزل الإشارة الحيوية عن الضجيج عن طريق المركبات الترددية،
من أمثلتها (الغير مرغوبة):
- الإشارة الكهربائية.
- كمون نصف الخلية (في حال استخدام المضخم التفاضلي يبقى أثر كمون الإزاحة).
- دارة الإزاحة في دارة التضخيم الأولي (التي يمكن ضبطها).
مثال عن سؤال فحص (ماهي الإشارات التي تؤثر على تصميم دارة الإشارة الحيوية)
الجواب: ممانعة الناتجة عن الالكترودات، ممانعة المنبع، كمون الخلية، الفرق بين كمون نصف الخلية يؤدي إلى ظهور كمون ثابت نسميه بكمون النمط المشترك، تداخل ناتج عن الإشارة الكهرطيسية وبشكل أساسي إشارة الشبكة.
من الضروري جدا تقليل مطال إشارات الضجيج، التقنيات التي تساعد على ذلك هو الحد من عرض الحزمة. غالبا تكون على مرحلتين (مرشح تمرير عالي، ثم منخفض).
أهم إشارات الضجيج:
الضجيج الحراري (الضجيج الأبيض): ينتج عن الالكترودات، والتداخل الكهرطيسي، والضجيج في إشارة التضخيم والتوصيلات. يمكن تمثيلها بمقاومة Rs (ممانعة مصدر الضجيج، أو المنبع، الإجمالية) تشمل ممانعة المنبع بالنسبة للإشارة الحيوية بالإضافة لممانعة النقل.
الكمون الناتج عن الضجيج الحراري:
K: بولتزمان. T: الحرارة. B: عرض حزمة التمرير.
يوجد أيضا ضجيج المضخم الذاتي: موجود بأي دارة تضخيم، تتألف من مركبتين لهما علاقة بالتردد. الأولى لها علاقة بالجهد، تمثل بمنبع جهد في الدارة المكافئة للتضخيم، الثانية تكافأ بـ منبع تيار I_n.
| 55 |
يهمنا استخدام مضخمات فيها إشارة الضجيج أقل ما يمكن، ويمكن تقليلها بتقليص عرض الحزمة الترددية.
حاليا المضخمات ضجيج الكمون أصغر من 10نانو فولت، التيار 1 بيكو أمبير. ويتعلق هذا الضجيج بجذر عرض الحزمة الترددية .
تتعلق نسبة الضجيج بتقنيات التصنيع، غالبا نستخدم في المضخمات ترانزستورات من النوع FET لها جهد ضجيج أكبر بـ 5 مرات من Bipolar لكن ضجيج التيار أصغر بـ 100 مرة من Bipolar.
من هالـ 3 فقرات يمكن يجي سؤال صح وخطأ، يجب أن نصل إلى الفكرة بشكل منهجي، لا يجوز طباعة الفقرة كما هي.
بالنسبة لـ إشارات التداخل: أهم مرحلة تتأثر فيها هي نقطة التماس بين الالكترودات والنسيج الحيوي، قدر الإمكان يجب التقليل من الحركة. تؤثر على كمون الإزاحة وممانعة التماس، أي لها مركبتين، تؤديان إلى تغيرات في كمون الالكترود، بالإضافة إلى أنه ينتج عنها هبوط جهد يكون بدوره ناتجا بشكل أساسي عن تيار انحياز الدخل بالنسبة لمرحلة التضخيم الأولي.
يمكن تقليل أثر ضجيج الحركة من خلال:
- مضخم أولي بممانعة دخل عالية.
- أو استخدام الكترودات بكمون نصف خلية منخفض جدا.
- اختيار الجل يقلل من ممانعة إشارة المنبع لتحسين الناقلية بين النسيج والالكترود المستخدم.
- التوصيلات، كل ما كانت أقصر كل ما كان أفضل.
يمكن تقليص الضجيج الناتج عن التوصيلات بـ 3 طرق:
- مجدولات، بحيث يفني الحقل المغناطيسي بعضه.
- أسلاك محمية ضد الأمواج الكهرطيسية.
- حماية أقطاب الدخل. (توجد تقنيات أخرى، سنأخذها فيما بعد).
الأثر الكهربائي في المحاضرة القادمة.
| 56 |
رامي قباني 