بخشی از مقاله
چکیده
تقویت کنندههای ابزارقیق پزشکی از جمله بخشهای مهم در سیستم های ضبط سیگنال زیستی است که در کاربردهای پزشکی متنوعی استفاده میشوند. چالشهای اساسی در طراحی این مدارات برگرفته از طبیعت سیگنالهای زیستی است. مدار تقویتکننده باید در توان پائین کار کند تا از گرم شدن بافت جلوگیری کند و به سلولهای بافت آسیب نرسد.
در این مقاله تقویتکننده در تکنولوژی P0/18 CMOS با هدف کاهش توان مصرفی و جلوگیری از آسیب رساندن به بافت پوست بیمار طراحی شدهاست، که فقط 7 Z توان مصرف میکند. همچنین تقویتکننده باید سطح کمی از سیلیکون را مصرف کند تا اندازه حسگر پزشکی کاشتنی کم شود. برای کاهش اندازه تراشه در طراحی بجای استفاده از مقاومتهای پسیو، تراتزیستورهای ماسفت بهکار برده شدهاند..
مقدمه
الکتروکاردیوگراف دستگاهی است که جریانهای الکتریکی قلب را از طریق الکترودهایی که روی مناطق مختلف پوست بدن قرارداده میشوند، دریافت کرده و آنها را به شکل یک نمودار ترسیم میکند. این نمودار الکتروکاردیوگرام نامیده میشود. الکتروکاردیوگرام از سال 1901 تاکنون به عنوان مهمترین ابزار تشخیصی پزشکی باقی مانده و تشخیص بسیاری از بیماریهای قلبی را آسان کرده است. تجهیزات پزشکی برای اندازه گیری سیگنالهای زیستی، ابتدا توسط الکترود سیگنال کمدامنه زیستی را دریافت مینمایند. این سیگنال به علت دامنه کم باید تقویت شود .[1] در مرحلهی بعد سیگنال آنالوگ تقویت و فیلتر شده و به دیجیتال تبدیل میشود. در مرحله آخر سیگنال دیجیتال مورد پردازش قرار میگیرد.
تقویت کننده سیگنال زیستی باید نویز ورودی کمی داشته باشد تا اجازه شناسایی سیگنالهای زیستی با دامنه به کوچکی چند ده میکروولت را بدهد. در زمینه طراحی تقویتکننده پزشکی با مصرف توان کم میتوان به مقاله هریسون [2] در سال 2003 اشاره نمود. در ساختار ارائه شده در این مقاله بهره باند میانی به 40dB میرسد. طراحی آن در تکنولوژی P 1/5 CMOS انجام شدهاست. پهنای باند آن از 0/025 هرتز تا 7/2 کیلو هرتز میباشد و دارای توان مصرفی 80 Z است، که توان نسبتا بالایی است.
پس از آن در زمینه طراحی تقویتکننده با توان مصرفی کم در سال [3] 2007 تقویت کنندهی پزشکی برای شناسایی سیگنال قلبی طراحی شد که شامل یک فیلتر بالاگذر، دو تقویت کننده با بهره متغیر، سه عدد فیلتر پائین گذر، و یک ORA است. این تقویت کننده کمتر از 20 Z توان مصرف میکند و در تکنولوژی 0/18 P &026 طراحی شدهاست. در مقاله ای دیگر [4] در سال 2011 به تقویت کنندهای با مصرف توان و عدد نویز بسیار پائین اشاره شده. بهرهی باند میانی این تقویت کننده 39/4 dB است و مصرف توان آن از منبع تغذیهی 1/8 V به میزان 7/92 w میباشد. این طراحی در تکنولوژی 0/18 انجام شدهاست.
در این مقاله در بخش دوم چالشهای طراحی تقویتکننده پزشکی و پس از آن در بخش سوم یک تقویت کننده پزشکی با مصرف توان و عدد نویز کم معرفی خواهدشد. در بخش چهارم تقویتکنندهی دو طبقه و اجزای آن به طور کامل شرح داده میشود و در نهایت به مقایسه نتایج با کارهای مشابه در زمینه کاهش توان مصرفی میپردازیم.
چالشهای طراحی تقویت کننده پزشکی
در طراحی تقویت کننده پزشکی، به دلیل خصوصیتهای ذاتی سیگنالهای زیستی چالشهایی وجود دارد که به شرح آنها میپردازیم. دامنه سیگنال قلبی در رنج 0.5 - 4 mv است [5] که به دلیل کوچکی، پیش از آنکه روی آن پردازشی انجام شود، باید آن را تقویت نمود. بنابراین به تقویت کنندهای با بهره تفاضلی بالا نیاز داریم. با توجه به اینکه بسته به محل دریافت سیگنال و همچنین از فرد به فردی دیگر دامنه سیگنالهای قلبی متفاوت اند، تقویتکننده باید قابل برنامهریزی باشد و بتواند رنج بهره از 100 تا 1000 داشته باشد .[5] در این صورت تقویتکنندگی کافی برای سیگنالهایی به بزرگی چند ده میلیولت و به کوچکی صدها میکرو ولت را فراهم کند.
در طراحی تقویتکننده یکی از عوامل مهم نویز است که تا حد ممکن باید کاهش یابد. کوچکترین دامنه در سیگنال قلبی مربوط به موج p می باشد که دارای دامنهی 200 - 300 v است. نویز ورودی باید کمتر از 200 Yrms باشد تا اجازه شناسایی سیگنال قلبی را بدهد
آفست DC به دلیل تداخل الکترودهای پوستی ایجاد میشود. این آفست درحدود 300 میلیولت است که معمولا چندین برابر بزرگتر از ولتاژ سیگنال اندازهگیریشده است. در صورت عدم میرایی کافی، این آفست به راحتی طبقه ورودی را اشباع میکند. از دلایل دیگر بوجودآمدن افست DC میتوان به عدم تطبیق شبکه تقویتکننده اشاره کرد. بنابراین نیاز به تقویتکنندهای با آفست کم وجود دارد. پهنای باند مورد نیاز برای اندازهگیری سیگنال قلبی، وابسته به کاربرد آن است . برای کاربردهای غیر تشخیصی: پهنای باند بین 0/5 تا 40 هرتز معمول است و برای کاربردهای تشخیصی: پهنای باند باید بین 0/05 تا 150 هرتز باشد.
تقویت کننده پزشکی با مصرف توان و عدد نویز کم
به عنوان یکی از محوریترین کارهای انجام شده در زمینه طراحی تقویتکننده پزشکی با مصرف توان و عدد نویز کم میتوان به مقاله هریسون [2] اشاره نمود. در ساختار ارائه شده در این مقاله بهره باند میانی از رابطه C1/C2 به مقدار 40 dB میرسد. در شکل - 1 - ، C1 و C2 شبکه فیدبک خازنی است و ترانزیستورهای Ma تا Md به عنوان شبهمقاوت بهکار برده شدهاند. این ترانزیستورها در ناحیه زیر آستانه بایاس میشوند تا مقاومت معادل بالایی داشته باشند.
این ساختار در تکنولوژی 1/5 P &026 طراحی شدهاست. پهنای باند آن از 0/025 هرتز تا 7/2 کیلو هرتز میباشد و دارای توان مصرفی 80 Z است. ساختار ارائه شده در [2] به دلیل توان مصرفی نسبتا پائین و نویز کم به عنوان مبنای بسیاری از کارها در نظر گرفته شدهاست.
شکل :1 شماتیک تقویتکننده عصبی
