Усилитель бесконтактного электрометра и цепь обратной связи Российский патент 2019 года по МПК H03F3/18 

Описание патента на изобретение RU2703671C1

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.

Похожие патенты RU2703671C1

название год авторы номер документа
Устройство для измерения отклонения светового пучка 1989
  • Чернов Евгений Иванович
SU1689764A1
Устройство для контроля деградации МДП-структур 1990
  • Балтянский Сема Шлемович
  • Зверева Валерия Вадимовна
  • Карпанин Олег Валентинович
  • Лихацкий Леонид Григорьевич
  • Метальников Алексей Михайлович
  • Чернецов Константин Николаевич
  • Шубин Вячеслав Семенович
SU1783454A1
Мультивибратор 1979
  • Лапицкий Анатолий Иосифович
  • Матвеев Сергей Всеволодович
  • Самсонов Борис Сергеевич
SU871305A2
Мультивибратор 1978
  • Лапицкий Анатолий Иосифович
SU738107A1
Устройство для измерения параметров варикапа 1977
  • Громков Николай Валентинович
  • Мартяшин Александр Иванович
  • Тростянский Вячеслав Михайлович
  • Чураков Петр Павлович
  • Шляндин Виктор Михайлович
SU708267A1
Компенсационное устройство дляизМЕРЕНия пАРАМЕТРОВ элЕМЕНТОВ СлОж-НыХ элЕКТРичЕСКиХ цЕпЕй 1979
  • Лихтциндер Борис Яковлевич
  • Задорожный Виталий Константинович
SU849082A1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ТОКОВ 1990
  • Сабиров Р.М.
  • Смирнов А.В.
  • Горняков В.Ф.
RU2024025C1
Релейный стабилизатор постоянного напряжения 1988
  • Кулик Анатолий Николаевич
  • Озеров Леонид Алексеевич
  • Разнополов Олег Александрович
  • Штессель Юрий Борисович
SU1529196A1
Интегрирующий электрометр 1982
  • Терещенко Анатолий Федорович
SU1104426A1
Интегратор 1978
  • Коровин Николай Иванович
SU855674A1

Иллюстрации к изобретению RU 2 703 671 C1

Реферат патента 2019 года Усилитель бесконтактного электрометра и цепь обратной связи

Изобретение относится к усилителям бесконтактного электрометра. Технический результат заключается в снижении уровня шума усилителя. Усилитель бесконтактного электрометра выполнен с обратной связью, включает 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. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула изобретения RU 2 703 671 C1

1. Усилитель бесконтактного электрометра, 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, отличающийся тем, что включает цепь смещения двух последовательно соединенных р-n переходов в обратном направлении, а средняя точка цепи смещения подключена к выходу инвертирующего интегратора.

2. Усилитель по п. 1, отличающийся тем, что инвертирующий интегратор соединен со средней точкой цепи смещения через аналоговый сумматор, второй вход которого подключен к выходу усилителя.

3. Усилитель по п. 2, отличающийся тем, что второй вход аналогового сумматора подключен к выходу усилителя через фильтр высоких частот.

4. Цепь обратной связи усилителя бесконтактного электрометра, включающая инвертирующий интегратор с входом, подключаемым к выходу усилителя, и два последовательно соединенные р-n перехода, подключаемые своей общей точкой к входу усилителя, отличающаяся тем, что оба р-n перехода смещены в обратном направлении, а выход инвертирующего интегратора подключен к средней точке цепи смещения р-n переходов.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2019 года RU2703671C1

US 9559647 B2, 31.01.2017
Многоступенчатая активно-реактивная турбина 1924
  • Ф. Лезель
SU2013A1
Пресс для выдавливания из деревянных дисков заготовок для ниточных катушек 1923
  • Григорьев П.Н.
SU2007A1
РЕЗОНАНСНЫЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР И СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В РЕЗОНАНСНОМ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ГЕНЕРАТОРЕ 2016
  • Стребков Дмитрий Семенович
RU2622844C1

RU 2 703 671 C1

Авторы

Белов Олег Александрович

Даты

2019-10-21Публикация

2018-12-27Подача