Усилитель бесконтактного электрометра и цепь обратной связи
NON-CONTACT ELECTROMETER AMPLIFIER AND FEEDBACK CIRCUIT

Область техники
Изобретение относится к области измерения электрических величин, а более точно, к бесконтактной регистрации и измерению изменений электрического потенциала на поверхности объекта, например, в электроэнцефалографии.
Предшествующий уровень техники
Известно, что при использовании усилителей постоянного тока с разделительной емкостью, образуемой при использовании бесконтактного электрометра, необходимо обеспечить подачу напряжения нулевого смещения на вход усилителя, используя обратную связь по постоянному току. Но цепь обратной связи, состоящая из резисторов, не подходит для усиления слабых сигналов из-за неприемлемо большого теплового шума резисторов.
Известны, раскрытые в патенте США US 9559647 от 31.01.2017, усилитель, выполненный с обратной связью, включающей инвертирующий интегратор, подключенный к выходу усилителя, и два последовательно соединенные р-n перехода, подключенные своей общей точкой к входу усилителя, и, соответственно, цепь обратной связи усилителя, включающая интегратор, подключаемый к выходу усилителя, и два последовательно соединенные р-n перехода (диода), подключаемые общей точкой к входу усилителя. Эти известные усилитель и цепь обратной связи являются прототипами заявленных технических решений.
Усилитель, раскрытый в патенте США US 9559647 от 31.01.2017, предназначен для усиления сигнала емкостного датчика во многом сходного при функционировании с датчиком разности потенциалов (электрометром). В этих известных технических решениях использованы два диода, включенные встречно-параллельно, а для стабилизации постоянной составляющей предусмотрена подача напряжения смещения нуля с использованием интегратора, выполненного из транскондуктансного усилителя (transconductance amplifier) и конденсатора. Снижение уровня шума достигается за счет высокого динамического сопротивления р-n перехода без смещения (с нулевым смещением).
Вместе с тем, известный усилитель предназначен для усиления сигнала микрофона, и не предназначен для усиления сравнительно более слабых сигналов (единицы микровольт) электрической активности мозга в диапазоне частот от долей Гц до единиц Гц. В этом случае, достигаемое в известном усилителе и при использовании известной цепи обратной связи снижение шума недостаточно.
Раскрытие изобретения
Технический результат, достигаемый в заявленном усилителя бесконтактного электрометра и при использовании заявленной цепи обратной связи усилителя бесконтактного электрометра, заключается в снижении уровня шума усилителя.
Указанный технический результат достигается в усилителе бесконтактного электрометра, выполненном с обратной связью, включающей инвертирующий интегратор, подключенный к выходу усилителя, два последовательно соединенные р-n перехода, подключенные своей общей точкой к входу усилителя, и цепь смещения двух последовательно соединенных р-n переходов в обратном направлении, при этом средняя точка цепи смещения подключена к выходу инвертирующего интегратора.
Инвертирующий интегратор в цепи обратной связи может быть соединен со средней точкой цепи смещения через аналоговый сумматор, второй вход которого подключен к выходу усилителя. Второй вход аналогового сумматора может быть подключен к выходу усилителя через фильтр высоких частот.
Указанный технический результат достигается при использовании цепи обратной связи усилителя бесконтактного электрометра, включающей инвертирующий интегратор с входом, подключаемым к выходу усилителя, и подключаемые к входу усилителя своей общей точкой два последовательно соединенные р-n перехода (например, диода или транзистора), смещенные оба в обратном направлении, а выход инвертирующего интегратора подключен к средней точке цепи смещения р-n переходов в обратном направлении.
Уменьшение уровня шума достигается увеличением динамического сопротивления р-n переходов путем смещения обоих последовательно соединенных р-n переходов в обратном направлении, т.е. использования рабочего участка на обратной ветви вольт-амперных характеристик р-n переходов.
Поскольку из-за неизбежного различия параметров р-n переходов возникает смещение нуля на выходе усилителя, в цепи обратной связи используется интегратор, подающий напряжения (нулевого смещения) смещения нуля с выхода усилителя и обеспечивающего восстановление нуля достаточно медленно, чтобы не оказывать существенное влияние на амплитудно-частотную характеристику усилителя в рабочем диапазоне частот.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан первый вариант блок схемы электрометра, измеряющего биопотенциал.
На фиг. 2 показан второй вариант блок схемы электрометра, измеряющего биопотенциал.
На фиг. 3 показан третий вариант блок схемы электрометра, измеряющего биопотенциал.
На фиг. 4 показан вариант принципиальной схемы усилителя.
Осуществление изобретения
При регистрации изменений поверхностных биопотенциалов бесконтактным электрометром, образуемая разделительная емкость (между электродом электрометра и поверхностью кожи) не может быть менее десятков пикофарад, а исследуемый диапазон частот начинается с долей герца. Поэтому постоянная времени фильтра, образованного разделительной емкостью и входным сопротивлением усилителя должна быть порядка одной секунды, что требует использования усилителя с входным сопротивлением десятки Гигаом. Предполагается, что «земля» электрометра соединена с объектом (телом), т.е. предполагается наличие общей точки и, таким образом, выравнивание в первом приближении постоянной составляющей потенциалов электрода электрометра и поверхности кожи объекта. Тем не менее, существенное, т.е. препятствующее измерениям постоянное напряжение может быть на разделительной емкости, в частности, из-за возникновения тока утечки.
Задача состоит в том, чтобы допустить только незначительное постоянное напряжение на образуемой разделительной емкости, так как иначе изменения этой емкости в результате вибрации или иных внешних воздействий будут приводить к изменению образовавшегося постоянного напряжения на разделительной емкости, вызывая так называемый микрофонный эффект. При измерении биопотенциалов величина полезного сигнала составляет единицы микровольт, а емкость может изменяться на единицы процентов. Таким образом, точные измерения изменения биопотенциала предполагают, что постоянное напряжение на разделительной емкости не должно превышать десятков или даже единиц микровольт.
На фиг. 1 показана блок-схема усилителя с обратной связью для электрометра, включающего неинвертирующий усилитель 1 постоянного тока, подключенный к разделительной емкости 2, образованной электродом при использовании электрометра, два последовательно соединенные р-n перехода 3 и 4, инверирующий интегратор 5 и две цепи смещения уровня напряжения 6 и 7. Вход интегратора 5 подключен к выходу усилителя 1, а его выход через цепи смещения уровня напряжения 6 и 7 соединены с двумя последовательно соединенными р-n переходами 3 и 4, чтобы обеспечить обратное смещение на этих р-n переходах, причем общая точка р-n переходов 3 и 4 соединена со входом усилителя 1.
Постоянная составляющая напряжения на входе усилителя определяется балансом обратных токов р-n переходов и током входа усилителя. В случае наличия постоянной составляющей на выходе усилителя, обусловленной токами утечки или зарядом конденсатора 2, возникшим в результате воздействия импульсной помехи, напряжение на выходе интегратора медленно, по сравнению с частотами рабочего диапазона, изменяется до тех пор, пока обратные токи р-n переходов не будут уравновешивать друг друга и входной ток усилителя при нулевом напряжении на входе усилителя.
Интегратор, как это показано на фиг. 2, соединен со средней точкой цепи смещения через аналоговый сумматор 8, второй вход которого подключен к выходу усилителя через фильтр 9, пропускающий высокие частоты. Параметры сумматора и фильтра должны быть выбраны таким образом, чтобы в рабочем диапазоне частот напряжение на цепях смещения уровня напряжения 6, 7 и соединенных с ними концах р-n переходов 3 и 4 повторяло напряжение на входе усилителя 1. Такое решение обеспечивает постоянное смещение на р-n переходах в большом диапазоне входных сигналов, что уменьшает нелинейные искажения. Кроме того, так как изменение напряжения на р-n переходах 3 и 4 в процессе усиления входного сигнала оказывается существенно меньше величины этого сигнала, такое решение позволяет нейтрализовать влияние емкости р-n перехода, тем самым уменьшить входную емкость усилителя в рабочем диапазоне частот и сделать коэффициент передачи усилителя более предсказуемым. Постоянные времени интегратора, фильтра и цепи, образованной входной емкостью 2 и динамическим сопротивлением переходов 3 и 4 согласованы чтобы обеспечить устойчивость усилителя, охваченного цепью обратной связи.
Предложенное решение может быть дополнено цепями защиты усилителя от перегрузки по входу или электростатического разряда, как это показано на фиг. 3. Здесь в схему добавлены диоды 10 и 11, соединенные с основным или вспомогательным источником питания. В случае перегрузки ток входа уходит через один из этих диодов на источник питания. Преимущество такого решения по сравнению с отдельными цепями защиты, обычно встраиваемых в усилитель 1, в том, что при реализации этого решения на одной микросхеме с усилителем 1 можно исключить диоды защиты этой микросхемы и уменьшить входную емкость усилителя.
На фиг. 4 приведен вариант реализации усилителя. В нем инвертирующий интегратор образован операционным усилителем DA2, резистором R3 и конденсатором С1, а смещение уровня, суммирование и фильтрация сигналов, осуществляемые блоками 6,7, 8, 9 в блок-схеме, представленной на фиг. 2, производятся цепями R1, R4, С2 и R2, R5, С3.