医学电子仪器原理与技术

医学电子仪器原理与技术生物医学工程研究所本课程内容医学电子仪器与基础电路生理参数测量仪器医学超声仪器临床检测分析仪器生理功能辅助仪器医用光学技术与仪器治疗用电子仪器放射治疗肿瘤装置医用仪器干扰的抑制和安全用电第一章医学电子仪器与基础电子电路医学电子仪器的特点医学电子仪器的分类半导体器件的基础知识生物医学放大电路电子振荡电路直流稳压电路数字逻辑电路1.1医学电子仪器的特点高精度、高标准、高质量多门类、多品种、多规格新技术、新材料、新原理应用迅速1.2医学电子仪器的分类生物电检测仪器及非电生理参数检测仪器–生物电检测仪器（心电、肌电等）–非电生理参数检测仪器（体温、血压等）监护仪器（床旁、中心监护、手术监护）临床检验分析仪器（血气、生化分析仪）生理功能辅助仪器（呼吸机、麻醉机）医用超声仪器医学电子仪器的分类医用X线诊断装置X线计算机断层成像系统(XCT)磁共振成像系统(MRI)核医学诊断仪器及设备（ECT、PET）放射治疗装置（钴60、X-刀、γ-刀）医用光学仪器（医用内窥镜等）治疗与康复仪器1.3半导体器件的基础知识常温下的自然界中的物质按其导电性能可分为以下三类。导体：导电性能良好，如铜、银、铝等金属材料。绝缘体：几乎不导电，如玻璃、橡胶、陶瓷等材料。半导体：其导电性能介于导体和绝缘体之间，如硅、锗、砷化物和硫化物等材料。半导体导电能力在不同条件下差异很大。1.热敏性环境温度对半导体的导电能力影响很大。对纯净半导体来说，温度越高，导电能力就越强。基于这种特性，可制成各种温度敏感元件，如热敏电阻等。2.光敏性一些半导体材料受到光照时，导电能力随之增强。利用这种特性可以制成各种光敏器件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光控晶闸管和光电池等。3.掺入微量杂质对半导体导电性能的影响如果在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将大大增强。而且掺入的杂质元素不同、浓度不同，半导体的导电性能可以人为地控制。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体两种。N型、P型半导体及PN结在半导体中掺入少量5价元素磷（或砷、锑），可使半导体内的自由电子数量剧增。在这种半导体中自由电子占绝大多数，故称为多数载流子（多子），而空穴则为少数载流子（少子）。它主要依靠带负电的电子导电，所以叫电子型半导体，或N（Negative）型半导体。在本征半导体中掺入少量3价元素硼（或铝、镓、铟），可使空穴的数量剧增。在这种半导体中，空穴是多数载流子，自由电子为少数载流子，它主要依靠带正电的空穴导电，所以叫空穴型半导体，或P（Positive）型半导体。单一的N型或P型半导体只能起电阻作用。但若将这两种半导体以某种方式结合在一起，构成PN结，就可使半导体的导电性能受到控制，这样才能制成各种具有不同特性的半导体器件。利用特殊的掺杂工艺，可使一块半导体的一部分成为P型半导体（P区），而另一部分成为N型半导体（N区），则在两者交界处形成一个具有特殊性质的区域，称之为PN结。PN结的形成过程中同时存在着多子的扩散运动和少子的漂移运动。当PN结处于动态平衡状态时，多子的扩散电流与少子的漂移电流大小相等且方向相反，通过PN结的电流为零，即PN结处于不导电状态。但如果在PN结两端加上电压，就会打破原来扩散和漂移的动态平衡状态，使PN结呈现单向导电的性能。单向导电性是PN结的基本特性。（a）加正向电压（b）加反向电压图1.1PN结外加电压当PN结外加正向电压时，PN结处于低电阻的导通状态，正向电流较大；当PN结外加反向电压时，PN结处于高电阻的截止状态，反向电流很小。这就是PN结的单向导电性。但当加于PN结的反向电压增大到一定数值时，反向电流可突然急剧增大，这种现象称为PN结的反向击穿。对应于电流开始剧增时的电压称为反向击穿电压。发生反向击穿时，只要反向电流的热效应不破坏PN结，当反向电压下降到击穿电压以下时，PN结的性能仍可恢复。半导体二极管半导体二极管实际上就是一个PN结，由一个PN结加上接触电极、引线和管壳构成的。它的用途很广，如用作整流、高频检波和数字电路中的开关元件等。为适用于各种不同的用途，制成了各种类型的半导体二极管。但其工作原理都是基于PN结的单向导电性。二极管的电路符号为；1.二极管的伏安特性(1)正向特性死区电压正向导通压降UF正向导通区(2)反向特性反向截止区反向击穿反向击穿电压图1.2二极管伏安特性曲线2.二极管的应用二极管的应用范围很广，利用其单向导电性，可组成整流、检波、限幅、钳位等电路。还可用它构成其他元件或电路的保护电路，以及在脉冲与数字电路中作为开关元件等。在作电路分析时，一般可将二极管视为理想元件，即认为其正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向压降忽略不计。反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。二极管导通与截止的判断要判断二极管导通与截止，主要看二极管是处于正向偏置，还是反向偏置。可先将二极管除去，分别计算管子两极A点与B点电位，计算结果如是VAVB，则二极管导通；如果VAVB，则二极管截止。图中二极管2AP1截止。3.特殊二极管(1)稳压二极管稳压管的伏安特性和普通二极管的伏安特性基本相似。只是稳压管的反向击穿区特性曲线很陡，当反向电压达到击穿电压时，反向电流突然增大，稳压管被反向击穿。在此状态下，反向电流在很大范围变化时，管子两端的电压基本保持不变，这就是稳压管的稳压特性。它的主要作用是稳压和限幅。(2)光电器件在信号传输和存储等环节中，光电子系统的应用日趋广泛。它的突出优点是：抗干扰能力强、传送信息大、传输损耗小、工作可靠。光信号与电信号的接口，需要一些特殊的光电器件，如发光二极管、光敏二极管及光电耦合器等。发光二极管是一种将电能直接转换成光能的固体器件，简称LED，和普通二极管相似，也是由一个PN结构成。常见的LED有红、绿、黄等颜色。LED的PN结封装在透明塑料管壳内，外形有方形、矩形和圆形等。发光二极管的驱动电压低、工作电流小，具有很强的抗振动和抗冲击能力、体积小、可靠性高、耗电省和寿命长等优点，广泛用于信号指示和传递中。光敏二极管又称光电二极管。其管壳上有透明聚光窗，由于PN结的光敏特性，当有光线照射时，光敏二极管在一定的反向偏压范围内，其反向电流将随光射强度的增加而线性地增加，这时光敏二极管等效于一个恒流源。当无光照时，光敏二极管的伏安特性与普通二极管一样。光电耦合器把发光器件和光敏器件组装在一起，使用时将电信号送入输入测的发光器件，将电信号转换成光信号，由输出侧的光敏器件（又称受光器件）接收并再转换成电信号。由于输出与输入之间没有直接电气联系，信号传输是通过光耦合的，所以也称其为光电隔离器。光电耦合器的特点：发光器件与受光器件互不接触，绝缘电阻很高，并能承受2000V以上的高压，因此经常用来隔离强电和弱电系统；光电耦合器有极强的抗干扰能力；光电耦合器具有较高的信号传递速度。光电耦合器的用途很广，如作为信号隔离转换，脉冲系统的电平匹配，微机控制系统的输入、输出回路等。晶体三极管晶体三极管是电子线路中的核心器件，它的突出特点是在一定的外加电压条件下具有电流放大作用。1.晶体管的结构晶体三极管简称为晶体管或三极管，其基本结构是由两个PN结构成，组成形式有NPN和PNP两种。三极管内部有三个区：发射区、基区和集电区，其中基区较另两个区要薄得多。这三个区分别引出三个电极：发射极E、基极B和集电极C。两个PN结分别为发射区与基区之间的发射结和集电区与基区之间的集电结，集电结面积较发射结面积要大。NPN型和PNP型三极管表示符号的区别是发射极的箭头方向不同，它表示发射结加正向电压时的电流方向。三极管内部结构上的特点是：发射区掺杂浓度高，即多子浓度高；基区很薄且杂质浓度低；集电区体积大，掺杂浓度较低。这是晶体管具有电流放大作用的内因。2.电流分配和电流放大作用电源VBB使发射结承受正向偏置电压，而电源VCCVBB，使集电结承受反向偏置电压，这样可使三极管具有正常的电流放大作用。图1.6晶体管电流放大实验电路通过实验，可以得出以下关系：(1)IE=IC+IB，且IB与IE、IC相比小得很多，因而IE≈IC。(2)IB虽然较小，但它对IC有控制作用，IC随IB的改变而改变，两者之间有相应的比例关系，即：前者称为静态电流放大系数，后者称为动态电流放大系数。它们反映了三极管的电流放大能力，或者说电流IB对IC的控制能力。BcBcIIII,3.特性曲线三极管的特性曲线全面反映了三极管各极电压与电流之间的关系，是分析三极管各种电路的重要依据。(1)输入特性曲线输入特性是指在三极管的集、射极间所加的电压UCE为常数时，基、射极间电路UBE与基极电流IB之间的关系。当UCE=0时，集电极和发射极间短路，输入特性相当于由集电结和发射结组成的两个二极管并联的正向特性，这时的电流IB是两个二极管的正向电流之和。当UCE=1V时，对应于相同的UBE，基极电流IB减小，曲线右移。当UCE继续增大时，其输入特性曲线与UCE=1V时的输入特性曲线几乎重合。由图可见，三极管的输入特性曲线与二极管的伏安特性曲线很相似，也存在一段死区。(2)输出特性曲线输出特性曲线是指当三极管基极电流IB为常数时，集电极电流IC与集、射极间电压UCE间的关系。下图为3DG6的输出特性曲线。可见IB的取值不同，得到的输出特性曲线也不同，所以，三极管的输出特性曲线是一族曲线。根据三极管的工作状态不同，可将输出特性分为以下三个区域：截止区、放大区、饱和区。a)截止区IB=0这条曲线以下的区域称为截止区。在此区域内，IC＝ICE≈0，集、射极间近似于断开状态。为了使三极管可靠截止，通常给发射结加上反向偏置电压，即UBE0V。b)放大区放大区是特性曲线中近似平行于横轴的曲线族部分。当UCE超过一定数值后（1V左右），IC呈现恒流特性。在放大区，IC与IB成正比，即IC=βIB，随IB增加IC也增加，三极管具有电流放大作用。发射结为正向偏置，集电结为反向偏置。c)饱和区靠近输出特性纵坐标轴，曲线上升部分所对应的区域称为饱和区。IC随IB增大而增大，UCE则相应减小，当IC增加到接近于VCC/RC时，UCE近似为零，此后IB再增大，IC不再增大，即IC不再受IB的控制，三极管进入饱和状态。此时的IC称为集电极饱和电流，集、射极电压称为集、射极饱和电压，集、射极间相当于接通状态。在饱和状态下，发射结和集电结均为正向偏置。【小结】1.PN结具有单向导电性，结承受正向电压时为导通状态；承受反向电压时为截止状态。2.半导体二极管和稳压管都是由一个PN结构成的半导体器件，其正向特性很相似，但二极管不允许反向击穿，而稳压管则可以工作在反向击穿状态，且稳定电压UZ基本不变。3.三极管是由两个PN结构成的双极型半导体器件，分NPN和PNP两种，主要功能是用较小的基极电流控制较大的集电极电流，控制能力用电流放大系数β表示。三极管有输入特性和输出特性。4.各种光电器件是利用PN结正向导通时发出可见光的特性制成的。