MITTAUSVAHVISTIMET sivu 1 / 8 MITTAUSVAHVISTIMET JOHDANTO Mitattavien biosähköisten ilmiöiden jännitetasot eivät sellaisenaan riitä ohjaamaan haluttuja signaalien käsittelylaitteita. Tämän takia mittauksissa on käytettävä sopivia vahvistimia jänniteja tehotasojen nostamiseksi. Mittauksiin liittyvien häiriötekijöiden vaikutuksesta ainoa käyttökelpoinen vahvistintyyppi on ns. differentiaalivahvistin. 1. VAHVISTIMIEN SPESIFIKAATIOT 1.1 DIFFERENTIAALIVAHVISTIN Differentiaalivahvistin voidaan esittää kuvan 1. mukaisella mallilla. Siinä vahvistimen tuloon (input, otto) liittyy jännitteet U + ja U. Haluttu mitattava jännite u on näiden tulojännitteiden U + ja U erotus. Vahvistimen tulonavoissa vaikuttava yhteismuotoinen (common mode) jännite eli symmetrinen jännite U cm on puolestaan jännitteiden U + ja U keskiarvo. Vahvistimen hyvyyttä kuvataan suureella yhteismuotoisen jännitteen vaimennussuhde CMRR (Common Mode Rejection Ratio) l. symmetriavaimennus. Tämä määritellään suhteeksi: (1) missä u cm on yhteismuotoisen jännitteen U cm lähtöön aiheuttama jännite tulonapoihin redusoituna (=jaettuna A:lla). Yhteismuotoisen jännitteen vaimennussuhde ilmoitetaan usein desibeleinä. On hyvä huomata, että koska desibeliasteikko on luonteeltaan tehoasteikko, niin desibeleiksi muutoksessa jännitesuhteen 10 järjestelmän logaritmi kerrotaan 20:llä. Kuva 2. Differentiaalivahvistimen malli Käytännön differentiaalivahvistin voidaan ajatella muodostuneeksi kuvan 2. mukaisesti. Siinä tulonapojen jännitteet vahvistetaan kertoimilla A + ja A, tämän jälkeen saaduista jännitteistä muodostetaan erotus. Esimerkki: (2) A + = 1001, A = 1000, kaavaan sijoitettuna saadaan: CMRR = 1/(1 1001/1000) = 1000, = 60 db Yleensä vahvistimien symmetriavaimennukseen vaikuttavat mm. jännitteen taajuus, amplitudi ja vahvistimen näkemä syöttävän impedanssin taso. Laboratorio olosuhteissa voidaan päästä yli 100 db CMRR arvoihin. Käytännön mittauksissa saavutettavat vaimennuslukemat liikkuvat alueella 20... 60 db. Symmetriavaimennuksen lyhenteenä käytetään yleisesti kirjaimia CMR ja CMRR. Edellinen tarkoittaa tarkasti ottaen pelkkää vaimennusilmiötä, jälkimmäinen ko. vaimennuksen numeroarvoa. Eri valmistajien vahvistimien CMRR lukuja verrattaessa on kiinnitettävä erityistä huomiota mittausolosuhteisiin joissa ko. lukema on mitattu. Laitevalmistajat pyrkivät ilmoittamaan CMRR arvon, joka on mitattu varsin edullisissa olosuhteissa. Tällöin ilmoitettu 120 db voi hyvinkin pudota paremmin mittaustilannetta simuloivassa kytkennässä suuruusluokkaan 40... 60 db. 1.2 TULOSUUREET rien takia tuloimpedanssit voivat olla hyvinkin monimutkaisia verkkoja. Kuva 3. Differentiaalivahvistimen tuloimpedanssit. Mitattavan signaalin kannalta merkityksellinen on differentiaalinen tuloimpedanssi Z d se muodostaa syöttävän impedanssin Z s kanssa vaimennusverkon. Tulonavasta maahan näkyvä impedanssi Z cm vaikuttaa lähinnä mittauksessa saavutettavaan CMRR arvoon. Kuva 4. Tulopiirin aiheuttama vaimennus mitattavaan signaaliin. Mitattavan signaalin ollessa e vahvistimen tulonapoihin kohdistuva jännite u saadaan laskettua kaavalla: Kuva 1. Differentiaalivahvistimen jännitteet Ideaalisessa tapauksessa vahvistimen lähdön (output, anto) jännite U o riippuu vain differentiaalisesta tulojännitteestä u ja vahvistimen jännitevahvistuksesta A. Reaalisilla vahvistimilla kuitenkin myös tulon yhteismuotoinen jännite U cm aiheuttaa tietyn jännitteen lähtöön. Vahvistimen epäsymmetria johtuu tällöin kertoimien A + ja A erisuuruudesta. Saavutettavalle CMRR arvolle voidaan johtaa yksinkertainen kaava: 1.2.1 TULOIMPEDANSSIT Vahvistimen tulonavoista näkyy differentiaalinen tuloimpedanssi Z d tulonapojen välillä ja yhteismuotoinen tuloimpedanssi Z cm tulonavasta maahan. Signaalijännitteiden tasolla nämä impedanssit muodostuvat pääasiassa resistanssin ja kapasitanssin rinnankytkennästä. Tulonapoihin liitettyjen suodattimien ja suojauspii (3) Jotta signaalin vaimenemista ei tapahtuisi, tuloimpedanssin Z d tulee olla paljon syöttävää impedanssia suurempi. Erittäin suurilla tuloimpedanssin arvoilla kuitenkin elektrodien metalli/elektrolyyttirajapinnan jännitelähteiden ja kapasitanssien stabiloituminen kestää kauan.
MITTAUSVAHVISTIMET sivu 2 / 8 EKG ja EEG vahvistimissa differentiaalisen tuloimpedanssin optimaalinen arvo on noin 10 Mohm luokkaa. Kuva 5. Syöttävän impedanssin epäbalanssin vaikutus. Käytännön mittauksissa vahvistimen tulonavat eivät näe täsmälleen yhtä suuria impedansseja syöttävä impedanssi voidaan jakaa yhtäsuuriin osuuksiin Z ja epäbalanssiin dz. Yhteismuotoinen jännite U cm aiheuttaa tällöin kumpaankin vahvistimen tulonapaan likimain yhtä suuren virran i. Epäbalanssijännite U dz muodostuu eroimpedanssissa dz. Yhteismuotoisen jännitteen vaimennussuhteelle voidaan tässä tilanteessa johtaa kaava: (4) Tyypillisesti syöttävä impedanssi Z s on paljon yhteismuotoista impedanssia Z cm pienempi, jolloin lauseke voidaan korvata suoraan suhteella Z cm/dz. Esimerkki: EKG mittaus, jossa Z cm = 100 M, Z = 100 k, dz = 50 k. Arvot sijoittamalla saadaan: CMRR = 2000 = 66 db. Käytännön vahvistimissa Z cm:n arvot ovat alueella 10 M... 1 G. On kuitenkin muistettava, että mittauksissa hyvyyden ratkaisee häiriöjännitteen taajuudella (tyypillisesti 50 Hz ja sen kerrannaiset) näkyvä tuloimpedanssi eikä mahdollisesti hyvinkin suuri tasajännitteellä mitattava resistanssi. CMRR arvo tulee mitata käyttäen sopivaa epäbalanssia syöttävässä impedanssissa. Teollisuusinstrumentoinnin vahvistimissa käytetään yleisesti n. 5 k epäbalanssia; biosähköisten vahvistimien testauksessa ko. epäbalanssi on tyypillisesti n. 50 k. Esim. EKG vahvistimien mittauksessa käytetään 51 k vastuksen ja 47 nf kapasitanssin rinnankytkentää. 1.2.2 TULOJÄNNITEALUEET Vahvistimen näkemät tulopiiriin kohdistuvat jännitteet voidaan jakaa normaalissa mittaustilanteessa kolmeen osaan: mitattava signaalijännite e, signaalijännitteen päällä oleva DCoffsetjännite E dc ja yhteismuotoiset jännitteet U cm. Kuva 6. Tulopiirin jännitteet normaalissa mittaustilanteessa. Normaalitoiminnan aikaiset jännitteet: Tavallisin vahvistimille ilmoitettava jännite on suurin käyttökelpoinen signaalijännitteen e arvo. Esimerkiksi EKG vahvistimille tämä on 5 mv. Harvemmin ilmoitettu, mutta silti erittäin tärkeä arvo on suurin sallittu differentiaalinen tasajännitteen arvo (electrode offset potential, electrode polarization voltage, maximum skin potential). Hyviä pintaelektrodeja käytettäessä riittävä arvo tälle jännitteelle on 300 mv. Neulaelektrodien yhteydessä voi esiintyä jopa voltin suuruisia offset jännitteitä. Harvoin näkee ilmoitusta suurimmasta yhteismuotoisesta jännitteestä, mikä voidaan sallia vahvistimen tulonavoissa mittauksen häiriintymättä. Tämän jännitteen arvo vaihtelee eri vahvistinmalleilla huomattavasti. Tavallisilla differentiaalivahvistimilla yhteismuotoista jännitettä sallitaan tyypillisesti muutamista kymmenistä millivolteista muutamiin voltteihin. Eristetyillä vahvistimilla yhteismuotoisen jännitteen suuruus voi olla kymmenien volttien luokkaa. Häiriöjännitteet: Biosähköisten vahvistimien on myös kestettävä huomattavia ylijännitteitä tulonavoissaan. Merkittävin ylijännite, jolta laitteet on suojattava, on defibrillaattorin aiheuttama jänniteimpulssi. Tämä voi aiheuttaa vahvistimelle noin 5 kv suuruisen ja 3... 5 ms kestävän impulssin. Muita mahdollisia häiriöjännitteitä ovat normaalin verkkojännitteen lisäksi mm. erilaisten sähköstimulaattoreiden pulssit. 1.2.3 TULOVIRRAT Vahvistimen tulonavoissa kulkeva virta muodostuu vahvistimen tuloasteen vaatiman esivirran i b ja signaalijännitteen tuloimpedanssin Z kautta ajamasta virrasta i. Kuva 7. Vahvistimen tulonapojen virrat. Esivirran i b suuruus määräytyy vahvistimen tuloasteen rakenteesta. Bipolaarivahvistimissa esivirran arvo on tyypillisesti luokkaa 10 na... 1 ua ja FET ottoisilla vahvistimilla 10 pa... 1 na. Erikoisvahvistimissa esivirta voi olla fa luokkaa. Pitkäaikaisissa rekisteröinneissä pieniä elektrodeja käytettäessä suuri esivirran arvo saattaa huomattavasti vaikuttaa käytettyjen elektrodien ominaisuuksiin. Esivirta aiheuttaa myös tasajännitteen kulkiessaan suuren syöttävän resistanssin läpi. Tämä jännite voi hidastaa mittauksen perustason asettumista etenkin jos syöttävän resistanssin arvo huomattavasti muuttuu mittauksen kuluessa (esim. kuivan ihon kostuminen elektrodin alla). 1.2.4 TULON SUOJAUKSET Vahvistimen tulonavat tulee suojata erilaisia vikajännitteitä vastaan. Suojaustarve määräytyy vahvistimen käyttötarkoituksesta. Haluttuja jännitekestovaatimuksia ovat mm. verkkojännitteen kesto, defibrillaattorin pulssin ( 1... 5 kv, 3...5 ms) kesto jne. Leikkaussaleissa käytettäviin vahvistimiin on kohdistumassa myös kirurgisen diatermian aiheuttamaa jännitettä (... 2 kv jatkuvaa,... 8 kv jännitepiikkejä, taajuus 0.5 MHz). Hyvin pientä kohinaa vaativissa mittauksissa (EEG, jotkut ENMG:n sovellukset) on pakko tinkiä jännitesuojavaatimuksista. Tyypillisiä tapoja suojautua ylijännitteiltä on käyttää kaasupurkausputkia leikkaamaan suuria jännitteitä ja puolijohdediodeja oikosulkemaan pienempiä jännitteitä. On huomattava, että usein käytetyt suojauskytkennät rajoittavat vahvistimen tulonapojen impedanssitason ja jännitealueen. 1.2.5 TOIPUMINEN Vahvistimen näkemän tasajännitteen kulun katkaisupaikka vaikuttaa oleellisesti vahvistimen toipumisnopeuteen ulkopuolisten häiriöiden
MITTAUSVAHVISTIMET sivu 3 / 8 (esim. defibrillaattorin isku) aiheuttamasta ylikuormittumisesta. Kuva 8. Tasajännitetien katkaisu vahvistimen tulonavoissa. Toipumisen kannalta huonoin tapa on toteuttaa tasajännitetien katkaisu kondensaattoreilla C heti tulonavoissa. Ulkopuolisen häiriön kohdistuessa tulonapoihin vahvistimen tuloimpedanssi on pieni (ollaan tulon suojauspiirien toimintaalueella). Tällöin kondensaattoreihin C latautuu varausta, jonka purkautuminen häiriön poistuttua vie pitkän aikaa. Kuva 9. Tasajännitetien katkaisu ensimmäisessä vahvistinasteessa. Viemällä tasajännitetien katkaiseva kondensaattori C vahvistimen sisälle saadaan ylikuormitustilanteessa kondensaattorin latautumispiiriin jäämään lisää vastusta R. Tällöin kondensaattoriin C ehtii varautua vähemmän häiriövarausta ja toipuminen on nopeampaa. Nopein toipumisaika saadaan kun ottonapojen ylikuorma ei pääse suoraan kytkeytymään tasajännitteen katkaisupiirille. Kuvan mukaisessa ratkaisussa tulonapoihin kohdistuva häiriöjännite ohjaa operaatiovahvistimien OA1, OA2 ja OA3 lähtöjännitteet kyllästystilaan. DC offsetin korjauspiiri (integraattori OA4, R, C) ehtii lyhyen häiriön aikana integroida vain pienen virheellisen varauksen, josta palautuminen tapahtuu nopeasti. Kuva 10. Tasajännitteen integrointi pois vahvistimen sisällä. Tässä kytkennässä on myös mahdollista erillisillä piireillä tunnustella häiriön olemassaoloa tarkkailemalla vahvistimien OA1... OA3 lähtöjännitteiden tasoja ja häiriötilanteessa lopettaa integroituminen katkaisemalla yhteys OA3:n lähdöstä integraattorille OA4 esim. pisteessä ZP. Joissain vahvistimissa on käytetty lisäpiirejä, joilla aktiivisesti pyritään nopeuttamaan vahvistimen toipumista ylikuormituksesta. Tällaisen piirin mitoituksessa on tehtävä huolella: laite ei saa tulkita mahdollista epätavallisen isoa mittaussignaalia häiriöksi, jota kompensointipiiri yrittää kompensoida. 1.3 SIIRTO OMINAISUUDET 1.3.1 ALARAJATAAJUUS Äärellisen alarajataajuuden omaava systeemi ei pysty säilyttämään signaalin DC tasoa. Systeemiin tuotu askelvaste toistuu 1. kertaluvun järjestelmässä oheisen kuvan mukaisesti. Kuva 11. Ensimmäisen kertaluvun systeemin askelvaste. Vasteen alkuun piirretty tangentti leikkaa perustason aikavakion kuluttua vasteen alusta. Alarajataajuuden f a ja aikavakion välinen yhteys on: (5) Järjestelmään syötettävä lyhytkestoinen pulssi voidaan tulkita kahdeksi peräkkäin tulevaksi askelvasteeksi. Pulssin keston ajalta todellinen vaste voidaan korvata pulssin alkuun piirretyllä tangentilla. Kuvan yhdenmuotoisista kolmioista saadaan johdettua systeemiltä vaadittavalle aikavakiolle lauseke kun pulssille sallitaan sakkausta s: (6) Kuva 12. Suorakaidepulssin toistuminen. Kun vaadittu aikavakio on selvillä, niin systeemin alarajataajuus f a lasketaan kaavalla (5). Esimerkki: Sallitaan pulssille 5 % sakkaus, toistettavan pulssin kesto T = 10 ms: Aikavakio: = 10 ms * (100/5) = 200 ms Alarajataajuus: fa = 1/(2 200 ms) = 0.8 Hz Suorakaidepulssia vastaavasti voidaan laskea toisenmuotoisille pulsseille kertoimet, joilla pulssin kesto on kerrottava tarvittavan aikavakion saamiseksi. Oheisessa taulukossa on kertoimet 1/2 sini aallolle, rampille ja suorakaidepulssille kun sallittu sakkaus on 2 % tai 5 %. Taulukko 1. Aaltomuotojen kertoimet sakkaus 2 % 5 % suorakaide 50 20 1/2 sini 16 7 ramppi 16 7 Mielivaltaisen muotoisen pulssin vaatiman alarajataajuuden laskemiseksi ensin hahmotetaan ko. pulssin pitkäkestoisin aaltomuoto käyttäen ylläolevia pulssimuotoja apuna. Tämä aaltomuoto kerrotaan taulukossa olevalla kertoimella, jotta saadaan tarvittava aikavakio. Tämän jälkeen voidaan vaadittava alarajataajuus laskea. 1.3.2 YLÄRAJATAAJUUS JA NOUSUAI KA Vahvistimen nopeusominaisuuksia kuvaavat suureet ylärajataajuus f y ja pulssin nousunopeus t r. Nousunopeudeksi yleensä määritellään aika, joka kuluu vasteen siirtyessä 10 % tasolta 90 % tasolle.
MITTAUSVAHVISTIMET sivu 4 / 8 Kuva 13. Askelvasteen nouseva reuna Nousuaika riippuu toistosysteemin kaistaleveydestä B, joka on ylärajataajuuden f y ja alarajataajuuden f a erotus (7). (7) Nousuajan t r ja vahvistimen kaistaleveyden B välinen yhteys on (8). (8) Kaavan (8) nimittäjässä oleva numero 3 ei ole kokonaislukuvakio, vaan likiarvo systeemin vaimennuksen ja kertaluvun määrittämästä kertoimesta. Esimerkiksi II kertaluvun systeemin tapauksessa vaimennuskertoimen ollessa alueella 0.4... 1.0 ko. kertoimen arvo on 3.12... 2.91. Koko systeemin nousuaika t on systeemin muodostavien osien nousuaikojen t 1, t 2,... neliöllinen summa: (9) Nousuaikojen yhdistämisen helpottamiseksi voidaan edelläolevalla kaavalla (9) laskea oheinen aputaulukko. Taulukossa t h on havaittava nousuaika, t i ilmiön nousuaika ja t v vahvistimen (koko toistosysteemin) nousuaika. Taulukko 2. Nousuaikojen yhdistäminen t i t v t h 1 1 1.4 1 0.5 1.1 1 0.2 1.02 1 0.1 1.005 1 0.05 1.001 ESIMERKKI: Mitattavan ilmiön nousuaika on 0.5 ms. Toistoon sallitaan 2 % viivästyminen. Taulukosta nähdään, että 2 % viivästymiseen päästään yhdistämällä nousuajat 1 ja 0.2. Vahvistimelta vaadittava nousuaika on siis: 0.2 x 0.5 ms = 0.1 ms Nousuaika/kaistaleveyskaavalla saadaan tästä edelleen kaistaleveydeksi: B = 1 / (3 x 0.1 ms) = 3 khz 1.3.3 LINEAARISUUS Vanhoissa putki ja transistoritekniikalla tehdyissä laitteissa vahvistimen ominaiskäyrä oli usein melko epälineaarinen. Spesifioidun toiminta alueen ylitys ei välttämättä näkynyt lähtösignaalissa selvästi alueen ylityttyäkin toistettava signaali näkyy, mutta muutosten amplitudi saattoi olla hyvinkin virheellinen. Nykyisillä operaatiovahvistimilla toteutetuissa vahvistimissa voimakkaan vastakytkennän ansiosta ominaiskäyrä on hyvin lineaarinen ja siirtyminen lähdön kyllästystilaan tapahtuu terävästi. Määritellyn toistoalueen ylittyminen johtaa näissä vahvistimissa signaalin täydelliseen leikkautumiseen. Kuva 14. Epälineaarisuuden vaikutus. e os/s DC offset jännite, jonka päällä signaalijännite e hfp, e hfs tulonapaan kytkeytyvä suurtaajuinen häiriö U s signaalin lähtötaso U hfp, U hfs lähdössä olevan suurtaajuushäiriön keskiarvotaso Oheisessa kuvassa näkyy kuinka tulosignaali muodostuu DC offset jännitteestä, jonka päällä on varsinainen signaalijännite e os/s. Näihin summautuu amplitudimoduloitunut häiriöjännite e hfp ja e hfs. Toistokäyrän epälineaarisuuden takia suurtaajuisen häiriön keskiarvo siirtää signaalijännitteen toistumiskohtaa ts. amplitudimodulaatio ilmaistuu. Biosähköisissä mittauksissa ensimmäinen epälineaarinen siirtoelementti on elektrodien metalli/elektrolyytti rajapinta. 1.3.4 KOHINAT JA RYÖMINTÄ Alle 0.1 Hz taajuista kohinaa kutsutaan usein ryöminnäksi, suurempitaajuisia komponentteja kohinaksi. Tyypillisesti ryömintä ilmoitetaan huipusta huippuun arvona (peak to peak, p p), muu kohina ilmoitetaan tavallisesti tehollisarvona (rms). Biosähköisissä mittauksissa tulosta tarkastellaan tyypillisesti käyrämuodossa. Tällöin p pkohina on kiinnostava arvo kertoohan se kuinka isoja heilahduksia käyrässä saattaa kohinan takia olla. Jos kohina on ns. valkoista kohinaa, niin rms kohina voidaan muuntaa p pkohinaksi sopivalla kertoimella. Käytettäessä kerrointa 5 havaittava kohina ylittää näin saadun p p kohina arvon noin 1 % ajan havaintoajasta. Vahvistimissa havaittava kohina muodostuu syöttävän resistanssin termisestä kohinasta, vahvistimen jännitekohinasta ja virtakohinasta. Resistanssissa R kaistaleveydellä B muodostuva terminen kohina voidaan laskea kaavalla: (10) missä: k Boltzmanin vakio T absoluuttinen lämpötila B tarkasteltavan kohinan taajuuskaista R syöttävä resistanssi Sijoittamalla kaavaan k:n numeroarvo ja lämpötilaksi T 300 K (likimain huoneenlämpötila) saadaan laadutettu kaava: (11) Kaavaan sijoitetaan R megaohmeina ja B herzeinä. Saatu tulos on kohinan rms arvo. Pohdittaessa vahvistimelle asetettavia kohinavaatimuksia kannattaa arviot pohjustaa laskemalla mittauskohteen suurimman syöttävän resistanssin aiheuttama terminen kohina kaavalla (11). Vahvistimille ilmoitetaan kohinaominaisuudet usein kaikki kohinakomponentit summattuna tietyllä taajuusalueella ja syöttävän resistanssin R arvolla. Tällöin nähdään suoraan vahvistimen termisen kohinan, jännitekohinan ja virtakohinan summavaikutus (mikäli käyrästössä on li
MITTAUSVAHVISTIMET sivu 5 / 8 kimain käytettävällä taajuusalueelle sopiva käyrä). Kuva 15. Vahvistimen kohinaominaisuudet. Kaikkien kohinakomponenttien yhteisvaikutus. Pienillä syöttävän resistanssin R arvoilla havaittava kohina muodostuu pääasiassa jännitekohinoista. Resistanssitason kasvaessa virtakohina tulee hallitsevaksi. Kuva 16. Bipolaarivahvistimen ja FETvahvistimen tyypilliset kohinat. Tyypillisesti bipolaarivahvistimien jännitekohina on pienempi kuin FET vahvistimien jännitekohina. Virtakohinan suhteen FET vahvistimet ovat puolestaan bipolaarivahvistimia edullisempia. Tällöin valinta bipolaari/fet vahvistimen välillä määräytyy vahvistimen näkemästä syöttävästä resistanssista. Usein kohina ilmoitetaan myös kohinatiheytenä. Kohinatiheys on yleensä suurilla taajuuksilla vakio. Pienillä taajuuksilla kohinatiheys kasvaa taajuuden pienentyessä ns. 1/f kohina. Kuva 17. Kohinan ilmoittaminen kohinatiheyden avulla. Kohinatiheyden vakio osalla kohina lasketaan kaavalla: missä: e v f y *, f a * (12) on vakio osuuden kohinatiheys ovat vakio osalla olevat ylä ja alarajataajuudet. Biosähköisissä mittauksissa tyypillisesti alarajataajuudeksi f a * sijoitetaan kulmataajuus f k. 1/f kohinan alueella kohina saadaan laskettua kaavalla: (13) missä: e 1, f 1 on mielivaltainen piste kohinatiheyskäyrän 1/f osalla f * * y, f a ovat 1/f osalla olevat ylä ja alarajataajuus. Biosähköisissä mittauksissa tyypillisesti ylärajataajuudeksi f y * sijoitetaan kulmataajuus f k. Kokonaiskohina e kok saadaan laskemalla eri kohinakomponentit e 1, e 2,... yhteen. Summaaminen tapahtuu neliöllisesti: (14) Periaatteessa kaavaan tulee sijoittaa kaikki kohinat rms arvoina. Vahvistimen virtakohinat ilmoitetaan ja lasketaan jännitekohinoiden tapaan. Virtakohinat muutetaan jännitekohinaksi kertomalla kohinavirta syöttävän resistanssin arvolla. 1.3.5 VERKKOTAAJUISEN JÄNNITTEEN VAIMENNUS Verkkotaajuisen häiriön estosuotimen tulee sijaita vahvistinketjussa mahdollisimman aikaisessa vaiheessa. Tällä varmistutaan ettei häiriösignaali yliohjaa mitään vahvistinastetta. On huomattava, että jokaisessa vahvistinasteessa on toistettavan signaalin ja häiriön summan oltava toimintajännitteiden rajoissa. Kun toistokaistasta poistetaan 50 Hz taajuus, niin signaalin nopeiden muutosten (jotka sisältävät 50 Hz taajuutta) toistoon ilmestyy 50 Hz taajuinen vaimeneva värähtely. Tämän värähtelyn suuruus ja vaimenemisnopeus riippuvat estokaistan leveydestä. Esim. EKG monitoreissa estokaistan optimaalinen leveys on noin 10 Hz. Tyypillisesti estosuotimen vaimennukseksi on spesifioitu varsin korkea arvo. Verkkohäiriö ei ole puhdas sinimuotoinen 50 Hz aaltomuoto vaan mukana on myös kerrannaistaajuuksia. Kerrannaistaajuuksien jäljelle jäämisen takia perustaajuuden hyvin suuri vaimentaminen ei ole tarpeen. Käytännössä luokkaa 40 db oleva vaimennus on riittävä. On hyvä myös varmistua, että kaupallisen vahvistimen estosuodin on viritetty 50 Hz eikä 60 Hz taajuudelle. 1.3.6 KALIBROINTIJÄNNITTEET Vahvistimessa olevien kalibrointijännitteiden tulisi kulkea koko vahvistinketjun läpi. Vanhoissa EKG laitteissa 1 mv testijännite tehtiin muodostamalla ko. jännite suoraan mittausjohtimeen pienen elohopeakennon ja kahden vastuksen jännitteenjakokytkennällä. Tällöin signaali testasi myös mahdollisen suuren syöttävän impedanssin aiheuttaman vaimennuksen. Uudemmissa (EKG)vahvistimissa kalibrointijännitteet tyypillisesti tuotetaan mittauspiiriin vasta tulopiirien jälkeen. Jos kytkeytyminen tapahtuu vahvistimen taajuusalueen määräävien piirien jälkeen käyttäjä saa valheellisen kuvan mittausketjun toiminnan luotettavuudesta. Tällöin kyseessä ei oikeastaan ole vahvistimen kalibrointisignaali vaan näyttölaitteen asteikon määrittämissignaali. 1.4 LÄHTÖSUUREET Vahvistimen lähtösuureina ilmoitetaan tavallisesti lähtöimpedanssi, lähtöjännitetaso ja sallittu kuorma. Lähtönavat tulee suojata oikosululta ja verkkojännitteeltä. Lähtöliittimien oikosulku ei saa estää signaalia näkymästä vahvistimen omalla näyttölaitteella. Kuva 18. Lähtöliittimen erottaminen laitteen sisäisistä piireistä ja suojaus ulkoisilta jännitteiltä
MITTAUSVAHVISTIMET sivu 6 / 8 Kuvassa on esitetty eräs mahdollisuus puskuroida lähtöliitäntä. 1.5 SÄHKÖTURVALLISUUSNÄKÖKOH TIA Vahvistimen tulopiirin suunnittelussa tulisi varautua tuloasteen puolijohdekomponenttien vikaantumiseen. Potilasjohtimien kanssa sarjassa tulee olla suojavastukset, jotka rajoittavat potilaaseen kulkeutuvan virran standardien rajoihin esivahvistimen tehonsyöttöjännitteen oikosulkeutuessa tulonapaan. Esim. jos liityntäosan tyyppi on CF, niin vikatilanteessa virta on rajoituttava arvoon 50 A. Leikkaussaleissa käytettävien vahvistimien on kestettävä kirurgisen diatermian häiriövaikutus. 2. VAHVISTINTYYPIT 2.1 VAHVISTIMIEN JAOTTELU Vahvistimet voidaan jakaa monin perustein. Loogisimpia jakoperusteita ovat jakaminen käyttötarkoituksen, toteuttamisteknologian tai yleisrakenneperiaatteen mukaan. Järkevin tapa lienee jakaa laitteet käyttötarkoituksen perusteella. Tällöin voidaan puhua EKG, EEG ja ENMG vahvistimista. Perusperiaatteeltaan nämä eivät oleellisesti eroa toisistaan. Eroina ovat eräiden toimintaspesifikaatioiden alueet ja halutut suojaukset sekä toipumisvaatimukset. Tyypillisiä EKG vahvistimelle asetettavia vaatimuksia ovat erittäin hyvät CMRR ominaisuudet, hyvä häiriö ja vikajännitekestoisuus sekä nopea toipuminen. EEG käytössä pääpaino on kohinaominaisuuksissa. Oheisessa taulukossa on esitetty joitain EKG, EEG ja ENMGvahvistimien tyypillisiä ominaisuuksia. Tarvittavien vahvistimien lukumäärä eri sovelluksissa vaihtelee suuresti: Tyypillisessä ENMG mittauksessa on yksi mittauskanava, EKG mittauksessa 3 tai 6 kanavaa sekä EEGmitttauksessa 12 tai 24 kanavaa. Toisinaan vahvistimet jaetaan toteuttamisteknologian mukaan. Tämä ei tavalliselle käyttäjälle ole erityisen informatiivista. Valmistusteknologian vaihtuessa (elektroniputket > transistorit > mikropiirit) myyjä mielellään korostaa uudemman teknologian soveltamista. Erityisen vaativilla sovellusalueilla kuitenkin vanha koettu teknologia voi olla käyttäjälle mielekkäämpi ratkaisu. Seuraavassa tarkastellaan vahvistimia niiden yleisrakenneperiaatteen mukaan. 2.2 TAVALLINEN DIFFERENTIAALI VAHVISTIN Tavallisella differentiaalivahvistimella ymmärretään vahvistinta, jossa referenssijännitetasona on maapotentiaali. Vahvistimen välityksellä tyypillisesti mittauskohde pyritään maadoittamaan tehokkaasti. Maadoituksen ansiosta kohteeseen jäävä yhteismuotoinen jännite jää pieneksi. Kuva 19. Tavallinen differentiaalivahvistin Potilasmittauksissa kohteen maadoittaminen voi vaarantaa potilaan turvallisuuden, joten tämäntyyppisiä vahvistimia ei normaalisti biosähköisissä mittauksissa käytetä. Teollisuusinstrumentoinnissa sen sijaan tämä vahvistintyyppi on hyvin käyttökelpoinen. 2.3 HÄIRIÖNPOISTOVAHVISTIMEN KÄYTTÖ Häiriönpoistovahvistimella varustetuissa vahvistimissa varsinaisten mittaavien elektrodien näkemä jännite summataan (= potilaassa oleva yhteismuotoinen jännite) ja syötetään vertailuelektrodin kautta vahvistettuna ja vaihe käännettynä mittauskohteeseen. Kytkentä merkitsee siis kohteen tehokkaampaa maadoittumista kuin tavallista vahvistinta käytettäessä tapahtuu. Häiriönpoistovahvistimen tapauksessa turvallisuutta voidaan parantaa lisäämällä vertailuelektrodilinjaan suojavastuksia ja/tai virran rajoituspiirejä. Periaatteessa häiriönpoistovahvistimen syöttämä virta on normaalia käyttöä, joten CF tyypin liityntäosaksi määritellyssä laitteessa kompensoivan virran suuruus tulee rajoittaa arvoon 10 ua. VAHVISTINTYYPIT, KÄYTTÖTARKOITUKSEN MUKAINEN JAKO Kuva 20. Häiriönpoistovahvistimella varustetun vahvistimen periaate. KÄYTTÖTAR KOITUS signaalijännitealue [mv] impedanssitaso [kohm] taajuusalue [Hz] DCoffsetvaatimus [mv] häiriöiden sieto [V] Häiriönpoistovahvistimen vahvistus A on tyypillisesti n. 100. Isokokoisessa kohteessa (ihminen, mittauselektrodit raajoissa) suurempi vahvistus johtaa helposti epästabiiliin systeemiin. EKG 1 5 10 1000 0.05 100 300 5000 (5 ms) EEG 0.005 0.05 1 100 0.1 100 300? ENMG 0.001 100 1 10000 0.1 10000 1000 200 (1 ms) 2.4 ERISTETYT VAHVISTINRATKAISUT Biosähköisissä mittauksissa eristetyt (kelluvat) vahvistinratkaisut tulivat markkinoille turvallisuusvaatimusten takia. Samalla myös laitteiden häiriöiden eliminointikyky parani.
MITTAUSVAHVISTIMET sivu 7 / 8 riön on vaimennuttava alle 30 V arvoon (p p). Tämä vastaa rms arvoa 10 V. häiriönpoistovahvistimen vahvistuksella A. Tyypillistä arvoa (100) käytettäessä maadoittumisimpedanssi on täten Sensijaan eristetyn tulopiirin näkemä yhteismuotoinen jännite U cmv on: 10.1 k /100 = 101 Mittausnavoista maahan näkyvä yhteismuotoinen jännite U cmk on tällöin: U cmv = 1 A * 100 + 0.5 A * 10 k = 5.1 mv Koko vahvistimelta vaadittava CMRR on: Kuva 21. Eristetty vahvistinrakenne. Eristetyssä vahvistimessa vahvistimen tulopiirit on galvaanisesti erotettu muista piireistä. Signaali välitetään eristysvallin läpi muuntajan, optoerottimen tai pienen kondensaattorin välityksellä. Eristetyn osan tehonsyöttö huolehditaan tavallisimmin muuntajan välityksellä. Vanhemmissa laitteissa signaali usein välitettiin analogiamuodossa optoerottimella. Nykyisin tavallisimmin käytetään digitaaliseen muotoon muutettua signaalia, jolloin eristysvallin läpi tarvitsee syöttää vain lyhyitä pulsseja. 2.5 ESIMERKKI MITTAUSTILANTEESTA Tyypillisessä EKG mittauksessa häiriölähteenä on 50 Hz sähköverkko. Mittaustilanteessa verkko kytkeytyy potilaaseen Z p impedanssilla Z v (tyypillisesti n. 15 pf, joka vastaa n. 200 M impedanssia). Potilas maadoittuu toisaalta hajaimpedanssin Z m (tyypillisesti 150 pf, vastaa 20 M impedanssia) ja toisaalta vahvistimen vertailuelektrodin kautta (jalkaelektrodi Z e ja vahvistintyypistä riippuva jatko). Potilaan sisäinen impedanssi Z p on tyypillisesti n. 100. Seuraavissa esimerkeissä oletetaan elektrodin Z e impedanssiksi 10 k. Kaikissa tapauksissa häiriövirran i v kulkupiirissä oleva impedanssitaso on noin 200 M, joten virran i v suuruus on noin 1 A. Lasketaan samalla mittauksessa vaadittava yhteismuotoisen jännitteen vaimennussuhde. Jos sallitaan häiriöjännitteeksi korkeintaan 3 % tyypillisen QRS kompleksin amplitudista, niin häi Kuva 22. Mittaustilanne esimerkki. Tavallinen maadoittava differentiaalivahvistin. Tavallisen vahvistimen tapauksessa mittauselektrodien tasolta maahan näkyvä impedanssi on Z p + Z e = 100 + 10 k = 10.1 k Mittausnapojen tasolla oleva yhteismuotoinen jännite U cmk on täten: U cmk = 1 A * 10.1 k = 10.1 mv. Vaadittava CMRR on: CMRR = 10.1 mv / 10 uv = 1010 = 60 db Kuva 23. Mittaustilanne esimerkki. Häiriönpoistovahvistimella varustettu vahvistin. Häiriönpoistovahvistimen tapauksessa edelläoleva maadoittumisimpedanssi tulee jaetuksi U cmk = 1 A * 101 = 101 V Vaadittu CMRR on: CMRR = 101 / 10 V = 10.1 = 20 db Käytännössä aivan näin tehokkaaseen maadoittumiseen ei tavallisesti päästä, koska häiriönpoistovahvistimessa itsessään on huomattavia sarjavastuksia rajoittamassa potilaaseen vikatilanteessa kulkevaa virtaa tyypillisesti 100... 300 k. Kuva 24. Mittaustilanne esimerkki. Eristetyllä tulopiirillä varustettu vahvistin. Eristetyssä vahvistimessa vahvistimen kautta maahan kytkeytyy virtaa jalkaelektrodin Z e kautta eristettyyn tulopiiriin ja tästä edelleen eristyksen yli maahan. Tyypillisessä vahvistimessa eristyksen yli vaikuttaa noin 150 pf hajakapasitanssi, joka vastaa noin 20 M impedanssia (Z i). Tällöin potilaaseen tuleva häiriövirta i v jakautuu suunnilleen tasan virroiksi i m ja i e. Vahvistimien mittausnavoista maahan näkyvä yhteismuotoinen jännite U cmk on: U cmk = 1 A * (100 + 20 M //20 M ) = 10 V CMRR = 10 V / 10 V = 1000 000 = 120 db Esivahvistimelle asetettava vaatimus on kuitenkin vain: CMRR = 5.1 mv / 10 V = 510 = 54 db Parhaimmissa eristetyissä vahvistimissa eristetty vahvistinosa on häiriönpoistovahvistimella varustettu vahvistin. Tällöin eristyksen ansiosta vahvistimeen kohdistuvan häiriövirran voimakkuus on niin pieni, että häiriönpoistovahvistin aina pysyy toiminta alueellaan ja mittauskohde maadoittuu tehokkaasti eristetyn osan "maa" potentiaaliin. Edellolevat esimerkkilaskelmat osoittavat, että vahvistintyypin perusteella mittaukseen muodostuva yhteismuotoinen jännite vaihtelee hyvin paljon. Vastaavasti yhtä hyvään lopputulokseen (häiriö vaimentunut tiettyyn rajaan) pääsemiseksi eri vahvistintyypeiltä vaadittava CMRRarvo on hyvinkin erilainen esimerkissä 20... 120 db. 2.6 MONIKANAVAISET VAHVISTIMET Edellä esitetyt asiat pätevät sellaisenaan myös monikanavaisille vahvistimille. Yksikanavaisista vahvistimista poiketen kuitenkin monikanavaisissa vahvistimissa yhteismuotoisen jännitteen vaimennussuhteella ei ole yhtä suurta merkitystä. Potilasmittauksissa mittauskohde on fyysisesti iso ja kohdetta mitataan useasta projektiosta. Tämän takia mahdollinen potilaaseen kytkeyty
MITTAUSVAHVISTIMET sivu 8 / 8 vä ulkopuolinen häiriö näkyy väistämättä joissain kytkennöissä yhteismuotoisena jännitteenä ja joissain muissa kytkennöissä differentiaalisena jännitteenä. Tämän vuoksi oikea tapa häiriöiden välttämiseen on estää häiriöiden pääsy potilaaseen. 3. VAHVISTIMIEN HYVYYDEN ARVOS TELU Vahvistimen (ja muunkin elektroniikkalaitteen) hyvyyttä voidaan melko paljon arvioida silmämääräisellä tarkastelulla. Yleisesti ottaen voi olettaa että jos havaitsee laitteessa jotain selviä heikkoja kohtia, niin todennäköisesti siinä on myös muita suunnittelun/toteutuksen heikkoja rakenteita. Hyvyyden arvioinnissa huomio kiinnitetään seuraaviin aiheisiin. 3.1 KOMPONENTTIVALINNAT TRIMMERIT Trimmereitä tulisi olla kohtuullisen vähän. Trimmerien tulee olla suljettua rakennetta. KONDENSAATTORIT Alumiinielektrolyyttejä tulisi olla mahdollisimman vähän. Teholähdeosassa voi elektrolyyttikondensaattoreita olla ei juuri muualla. Tanttaalikondensaattorit ovat AL elektrolyyttejä kestävämpiä. PUOLIJOHDEKOMPONENTIT Puolijohdekomponenttien tulisi olla useilta valmistajilta saatavia vakiotyyppejä. Nykyiset kotelointimateriaalit eivät aiheuta merkittäviä ongelmia (aikanaan epoksipakatut komponentit olivat osoitus "hupi"elektroniikan tuotteesta). LIITTIMET Kaikkien käytettyjen liittimien tulee olla hyvälaatuisia. Laitteen ulkopinnassa olevien liittimien tulee olla mekaanisesti vankkoja. Mahdollisten lukitusten tulee olla helposti ja "itsestään selvällä tavalla" avattavissa. Lääkintälaitteissa vaadittavien eristysten takia todennäköisin runkomateriaali potilaskaapelin liittimessä on muovi. KOMPONENTTILEVY Nykyisissä laitteissa komponenttilevyn materiaaliin ei useinkaan ole huomauttamista. Sensijaan komponenttilevyn likaisuus vihjaa huonoon valmistuksen valvontaan. 3.2 MITOITUS KÄYTETTY SPESIFIKAATIOIDEN MUKAI SESTI Komponenttien tulee olla käytetty komponenttivalmistajan spesifikaatioiden mukaisesti. Spesifioimattomiin ominaisuuksiin turvautuminen johtaa aikanaan vaikeuksiin laitteen huollossa. TRIMMERIEN SÄÄTÖALUEET Trimmerien yhteydessä olevat piirit pitää olla mitoitettu siten, että säädössä hyödynnetään trimmerin koko säätöalue. On myös varmistuttava, että trimmerin säädön ollessa ääriasennoissa mikään paikka laitteesta ei ylikuormitu/vikaannu. SUOJAUKSET Suojauspiirien tulee olla konservatiivisesti mitoitettuja. Jännitesuojausten virranrajoitusvastusten tulee olla riittävän jännitekestoisia. Myös piirifolioiden tulee kestää tarvittavat virtapiikit, jotka esim. defibrillaattorin isku saattaa aiheuttaa. Käytettäessä sulakkeita ylikuormitussuojaukseen tulee varmistua, että sulakekoot on oikein mitoitettu. 3.3 HUOLLETTAVUUS PÄÄSTÄVYYS, VAIHDETTAVUUS Helpon huollon perusedellytys on, että jokaiseen komponenttiin päästään helposti käsiksi. TESTIPISTEIDEN MÄÄRÄ Laitteessa tulee olla riittävästi selkeästi sijoitettuja ja merkittyjä testipisteitä, joista voidaan helposti mitata tarvittavat jännitteet. DOKUMENTOINTI Lääkintälaitestandardit eivät vaadi, että valmistajan pitäisi toimittaa laitteen mukana komponenttitasolle menevä huolto ohje (kytkentäkaavio). Standardit edellyttävät huolto ohjeen olemassaoloa, mutta valmistaja saa itse päättää millä tasolla hän sallii käyttäjän edustajan korjaavan laitetta. * * *