Биоэлектричество и медицинская электроника: Учебное пособие, страница 26

При выполнении условия  напряжение на выходе усилителя  связано с напряжениями на его входах ,  равенством

.

Как следует из рисунка, в этом случае , т.е. определяется только противофазными () составляющими входных напряжений. В реальных устройствах синфазный (U_c) сигнал также влияет на выходное напряжение. Степень подавления синфазного сигнала оценивается параметром , равным отношению коэффициента усиления противофазного сигнала  к коэффициенту усиления синфазного : . Этот коэффициент может достигать значений 10⁴–10⁵и более.

Однако простейший вычитающий усилитель не удовлетворяет требованиям по причинам относительно низкого входного сопротивления и сложности регулирования усиления. Активное сопротивление между измерительным электродом и подкожными тканями колеблется в пределах единиц-сотен килоом и может изменяться в зависимости от различных факторов. Основная часть этого сопротивления приходится на кожные покровы (удельное сопротивление кожи около 10⁷ Ом×см и существенно зависит от состояния ее пор). Для уменьшения сопротивления перехода между электродом и кожей помещают различного рода наполнители, занимающие пустоты и проникающие в поры. В качестве наполнителей могут использоваться различного рода пасты или, в простейшем случае, подсоленая вода. Несмотря на меры по уменьшению сопротивления перехода, оно все же оказывается высоким и нестабильным. Чтобы уменьшить изменения тока в измерительной цепи, связанные с указанным характером внутреннего сопротивления источника, необходимо иметь сопротивление нагрузки, в данном случае входное сопротивление усилителя, значительно превышающее макси

мальную величину сопротивления источника. Это условие удовлетворяется при выполнении входного усилителя по более сложной схеме (рис. 46), обеспечивающей как увеличение входного сопротивления, так и более эффективное подавление синфазной помехи, и простой способ регулирования усиления.

Усиление синфазного сигнала каждым из усилителей ОУ1, ОУ2 равно единице. Это объясняется тем, что вследствие большого коэффициента ОУ и ограниченности выходного напряжения разность потенциалов между инвертирующим и неинвертирующим входами каждого из усилителей можно считать равной нулю. Тогда для синфазного сигнала потенциалы точек «а» и «а₁» оказываются одинаковыми, т.е. через R₁ ток, обусловленный действием синфазных источников, не течет, и этот резистор может быть исключен из схемы. В этом случае оставшееся представляет из себя два повторителя и .

Усиление же противофазного сигнала может быть определено из следующих соображений. Ток, протекающий через резистор R₁ , равен . Полагая, что токи, протекающие через резисторы R₂ и R₃, равны току через R₁ (входными токами ОУ1 и ОУ2 пренебрегаем из-за большого входного сопротивления), получаем

,

где  и  - противофазные сигналы на выходах ОУ1 и ОУ2.

Если R₂ = R₃, то коэффициент усиления противофазного сигнала определится выражением:

.

Изменяя R₁, легко регулировать усиление, однако во многих случаях для получения максимального входного сопротивления R₁ приходится исключать (R₁ ® ¥), и каскады на ОУ1 и ОУ2 превращаются в повторители. Регулировка усиления в этом случае осуществляется в последующих каскадах. С помощью переменного резистора R₇ осуществляется максимальная компенсация синфазного сигнала. Коэффициент ослабления  синфазного сигнала рассматриваемого усилителя равен произведению коэффициентов ослабления составляющих его каскадов. Коэффициент ослабления первого каскада . Если коэффициент ослабления второго каскада равен , то , т.е. значительно превосходит коэффициент ослабления синфазного сигнала простого вычитающего усилителя.

Для еще более эффективного подавления синфазного сигнала применяют специальные схемы - подавители. На рис. 47 представлена структурная схема одного из подавителей. Идея построения заключается в подаче в цепь нейтрального электрода (N) сигнала, равного по величине синфазному, но имеющему противоположную полярность. С выходов усилителей 1 напряжения подаются на сумматор 2. Выходное напряжение последнего будет содержать лишь синфазную составляющую. После масштабирования в блоке 3 и изменения фазы оно подается в цепь электрода N.

Другой способ (рис. 48) связан с выполнением усилителя для каждой из точек съема по схеме дифференциального и подаче на его инвертирующий вход синфазного сигнала с выхода повторителя, включенного в цепь нейтрального электрода. В этом случае на неинвертирующих входах усилителей будет действовать сигнал , а на инвертирующем - , и усиливаться будет их разность, т.е. .

Рассмотренные способы, однако, не всегда приводят к эффективному подавлению синфазного сигнала. Происходит это вследствие того, что постоянные составляющие между различными точками тела, во-первых, могут сильно отличаться, а, во-вторых, медленно изменяться во времени, так что их равенство может достигаться лишь на очень коротких интервалах времени. Таким образом, значения  на рис. 47 в общем случае неодинаковы. Вследствие этого становится необходимым подавление постоянной составляющей каждой из ветвей. Достигается это на основе схемных решений, использующих фильтры низких и высоких частот. Два варианта реализации на основе фильтра низких частот приведены на рис. 49 и 50.

В первом – разность потенциалов между двумя точками на поверхности тела подается на один вход дифференциального усилителя 1, а на другой вход поступает сигнал, прошедший через развязывающий усилитель 2, фильтр низких частот 3 и масштабирующий усилитель 4. Напряжение на выходе усилителя 1 содержит постоянную и переменную составляющие и поступает на вход последующего каскада и развязывающего усилителя 2. Выход последнего нагружен на фильтр низких частот. Напряжение, пропорциональное постоянной составляющей напряжения на выходе усилителя 1, подается на вход масштабирующего усилителя 4, выход которого подключается ко второму входу дифференциального усилителя 1. Изменяя  коэффициент усиления усилителя 4, можно регулировать степень компенсации постоянной составляющей на входе усилителя 1.