医学电子仪器原理与技术课件

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生物医学工程研究所本课程内容本课程内容l医学电子仪器与基础电路医学电子仪器与基础电路l生理参数测量仪器生理参数测量仪器l医学超声仪器医学超声仪器l临床检测分析仪器临床检测分析仪器l生理功能辅助仪器生理功能辅助仪器l医用光学技术与仪器医用光学技术与仪器l治疗用电子仪器治疗用电子仪器l放射治疗肿瘤装置放射治疗肿瘤装置l医用仪器干扰的抑制和安全用电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l医学电子仪器的特点医学电子仪器的特点l医学电子仪器的分类医学电子仪器的分类l半导体器件的基础知识半导体器件的基础知识 l生物医学放大电路生物医学放大电路 l电子振荡电路电子振荡电路 l直流稳压电路直流稳压电路 l数字逻辑电路数字逻辑电路 1.1 医学电子仪器的特点医学电子仪器的特点l高精度、高标准、高质量高精度、高标准、高质量 l多门类、多品种、多规格多门类、多品种、多规格 l 新技术、新材料、新原理应用迅速新技术、新材料、新原理应用迅速1.2 医学电子仪器的分类医学电子仪器的分类l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及非电生理参数检测仪器生物电检测仪器生物电检测仪器 （心电、肌电等）（心电、肌电等）非电生理参数检测仪器非电生理参数检测仪器 （体温、血压等）（体温、血压等）l监护仪器（床旁、中心监护、手术监护）监护仪器（床旁、中心监护、手术监护） l临床检验分析仪器临床检验分析仪器 （血气、生化分析仪）（血气、生化分析仪）l生理功能辅助仪器生理功能辅助仪器 （呼吸机、麻醉机）（呼吸机、麻醉机）l医用超声仪器医用超声仪器 医学电子仪器的分类医学电子仪器的分类l医用医用X线诊断装置线诊断装置lX线计算机断层成像系统线计算机断层成像系统(XCT) l磁共振成像系统磁共振成像系统 (MRI) l核医学诊断仪器及设备核医学诊断仪器及设备 （ECT、PET）l放射治疗装置放射治疗装置 （钴（钴60、X-刀、刀、-刀）刀）l医用光学仪器医用光学仪器 （医用内窥镜等）（医用内窥镜等）l治疗与康复仪器治疗与康复仪器 1.3 半导体器件的基础知识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常温下的自然界中的物质按其导电性能可分为以下三类。以下三类。l导体：导电性能良好，如铜、银、铝等金属材导体：导电性能良好，如铜、银、铝等金属材料。料。l绝缘体：几乎不导电，如玻璃、橡胶、陶瓷等绝缘体：几乎不导电，如玻璃、橡胶、陶瓷等材料。材料。l半导体：其导电性能介于导体和绝缘体之间，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。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。半导体导电能力在不同条件下差异很大。 1.热敏性热敏性 环境温度对半导体的导电能力影响很大。对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强。基于这种特性，可制成各种温度敏感元件，如热敏电阻等。件，如热敏电阻等。 2.光敏性光敏性 一些半导体材料受到光照时，导电能力随之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，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。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，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，杂质半导体可分为同，杂质半导体可分为N型半导体和型半导体和P型型半导体两种。半导体两种。 N型、型、P型半导体及型半导体及PN结结 在半导体中掺入少量在半导体中掺入少量5价元素磷（或砷、价元素磷（或砷、锑），可使半导体内的自由电子数量剧锑），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，所以叫电子型半靠带负电的电子导电，所以叫电子型半导体，或导体，或N（Negative）型半导体）型半导体。 在本征半导体中掺入少量在本征半导体中掺入少量3价元素硼价元素硼（或铝、镓、铟），可使空穴的数量（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，所以叫主要依靠带正电的空穴导电，所以叫空穴型半导体，或空穴型半导体，或P（Positive）型半）型半导体。导体。 单一的单一的N型或型或P型半导体只能起电阻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作用。但若将这两种半导体以某种方式结合在一起，构成结合在一起，构成PN结，就可使半导体结，就可使半导体的导电性能受到控制，这样才能制成各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。种具有不同特性的半导体器件。 利用特殊的掺杂工艺，可使一块半导利用特殊的掺杂工艺，可使一块半导体的一部分成为体的一部分成为P型半导体（型半导体（P区），而区），而另一部分另一部分成为成为N型半导体（型半导体（N区），则在区），则在两者交界处形成一个具有特殊性质的区两者交界处形成一个具有特殊性质的区域，称之为域，称之为PN结结。 PN结的形成过程中同时存在着多子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。当的扩散运动和少子的漂移运动。当PN结结处于动态平衡状态时，多子的扩散电流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，与少子的漂移电流大小相等且方向相反，通过通过PN结的电流为零，即结的电流为零，即PN结处于不导结处于不导电状态。电状态。 但如果在但如果在PN结两端加上电压，就会结两端加上电压，就会打破原来扩散和漂移的动态平衡状态，打破原来扩散和漂移的动态平衡状态，使使PN结呈现单向导电的性能。结呈现单向导电的性能。单向导电单向导电性是性是PN结的基本特性。结的基本特性。 （a）加正向电压（b）加反向电压图图1.1 PN结外加电压结外加电压 当当PN结外加正向电压时，结外加正向电压时，PN结处于低电结处于低电阻的导通状态，正向电流较大；当阻的导通状态，正向电流较大；当PN结外加反结外加反向电压时，向电压时，PN结处于高电阻的截止状态，反向结处于高电阻的截止状态，反向电流很小。这就是电流很小。这就是PN结的单向导电性。但当加结的单向导电性。但当加于于PN结的反向电压增大到一定数值时，反向电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，这种现象称为流可突然急剧增大，这种现象称为PN结的反向结的反向击穿。对应于电流开始剧增时的电压称为反向击穿。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，只要反向电流的击穿电压。发生反向击穿时，只要反向电流的热效应不破坏热效应不破坏PN结，当反向电压下降到击穿电结，当反向电压下降到击穿电压以下时，压以下时，PN结的性能仍可恢复。结的性能仍可恢复。半导体二极管半导体二极管 半导体二极管实际上就是一个半导体二极管实际上就是一个PN结，结，由一个由一个PN结加上接触电极、引线和管壳结加上接触电极、引线和管壳构成的。它的用途很广，如用作整流、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。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。但其工作原理都类型的半导体二极管。但其工作原理都是基于是基于PN结的单向导电性。结的单向导电性。 二极管的电路符号为；二极管的电路符号为； 1. 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 (1)正向特性正向特性 死区电压死区电压 正向导通压降正向导通压降UF 正向导通区正向导通区(2)反向特性反向特性 反向截止区反向截止区 反向击穿反向击穿 反向击穿电压反向击穿电压 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 二极管的应用范围很广，利用其单向导电二极管的应用范围很广，利用其单向导电性，可组成性，可组成整流、检波、限幅、钳位整流、检波、限幅、钳位等电路。等电路。还可用它构成其他元件或电路的保护电路，以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，一般可将电路分析时，一般可将二极管视为理想元件，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，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。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二极管导通与截止的判断 要判断二极管导通与截要判断二极管导通与截止，主要看二极管是处止，主要看二极管是处于正向偏置，还是反向于正向偏置，还是反向偏置。可先将二极管除偏置。可先将二极管除去，分别计算管子两极去，分别计算管子两极A点与点与B点电位，计算结果点电位，计算结果如是如是VAVB，则二极管，则二极管导通；如果导通；如果VAVBB，使集电结承受反使集电结承受反向偏置电压，这向偏置电压，这样可使三极管具样可使三极管具有正常的电流放有正常的电流放大作用。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：通过实验，可以得出以下关系：(1)IE=IC+IB，且，且IB与与IE、IC相比小得很多，因而相比小得很多，因而 IE IC。(2)IB虽然较小，但它对虽然较小，但它对IC有控制作用，有控制作用，IC 随随IB的的改变而改变，两者之间有相应的比例关系，即：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，放大系数。它们反映了三极管的电流放大能力，或者说电流或者说电流IB对对IC的控制能力。的控制能力。 BcBcIIII,3.特性曲线特性曲线 三极管的特性曲线全面反映了三极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。三极管各种电路的重要依据。 (1)输入特性曲线输入特性曲线 输入特性是指在三极管的集、射极间所输入特性是指在三极管的集、射极间所加的电压加的电压UCE为常数时，基、射极间电路为常数时，基、射极间电路UBE与基极电流与基极电流IB之间的关系。之间的关系。 当当UCE=0时，集电极和发射极时，集电极和发射极间短路，输入特性相当于由集间短路，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，这时的电管并联的正向特性，这时的电流流IB是两个二极管的正向电流是两个二极管的正向电流之和。当之和。当UCE=1V时，对应于相时，对应于相同的同的UBE，基极电流，基极电流IB减小，曲减小，曲线右移。当线右移。当UCE继续增大时，继续增大时，其输入特性曲线与其输入特性曲线与UCE=1V时的时的输入特性曲线几乎重合。由图输入特性曲线几乎重合。由图可见，三极管的输入特性曲线可见，三极管的输入特性曲线与二极管的伏安特性曲线很相与二极管的伏安特性曲线很相似，也存在一段死区。似，也存在一段死区。 (2)输出特性曲线输出特性曲线 输出特性曲线是指当三极管基极电流输出特性曲线是指当三极管基极电流IB为常数时，集电极电流为常数时，集电极电流IC与集、射极间与集、射极间电压电压UCE间的关系。下图为间的关系。下图为3DG6的输的输出特性曲线。可见出特性曲线。可见IB的取值不同，得到的取值不同，得到的输出特性曲线也不同，所以，三极管的输出特性曲线也不同，所以，三极管的输出特性曲线是一族曲线。根据三极的输出特性曲线是一族曲线。根据三极管的工作状态不同，可将输出特性分为管的工作状态不同，可将输出特性分为以下三个区域：以下三个区域： 截止区、放大区、饱截止区、放大区、饱和区和区。 a)截止区截止区IB=0这条曲线以下的区域称为这条曲线以下的区域称为截止区。在此区域内，截止区。在此区域内，ICICE0，集、射极间近似于断开，集、射极间近似于断开状态。为了使三极管可靠截止，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通常给发射结加上反向偏置电压，即压，即UBE0V。b)放大区放大区放大区是特性曲线中近似平行放大区是特性曲线中近似平行于横轴的曲线族部分。当于横轴的曲线族部分。当UCE超超过一定数值后（过一定数值后（1V左右），左右），IC呈现恒流特性。在放大区，呈现恒流特性。在放大区，IC与与IB成正比，即成正比，即IC=IB，随，随IB增增加加IC也增加，三极管具有电流也增加，三极管具有电流放大作用。发射结为正向偏置，放大作用。发射结为正向偏置，集电结为反向偏置。集电结为反向偏置。c)饱和区饱和区靠近输出特性纵坐标轴，曲线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上升部分所对应的区域称为饱和区。和区。IC随随IB增大而增大，增大而增大，UCE则相应减小，当则相应减小，当IC增加到接近增加到接近于于VCC/RC时，时，UCE近似为零，近似为零，此后此后IB再增大，再增大，IC不再增大，不再增大，即即IC不再受不再受IB的控制，三极管的控制，三极管进入饱和状态。此时的进入饱和状态。此时的IC称为称为集电极饱和电流，集、射极电集电极饱和电流，集、射极电压称为集、射极饱和电压，集、压称为集、射极饱和电压，集、射极间相当于接通状态。在饱射极间相当于接通状态。在饱和状态下，发射结和集电结均和状态下，发射结和集电结均为正向偏置。为正向偏置。 【小结】【小结】1.PN结具有单向导电性，结承受正向电压时为导通状结具有单向导电性，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。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半导体二极管和稳压管都是由一个PN结构成的半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，且稳定击穿，而稳压管则可以工作在反向击穿状态，且稳定电压电压UZ基本不变。基本不变。3.三极管是由两个三极管是由两个PN结构成的双极型半导体器件，分结构成的双极型半导体器件，分NPN和和PNP两种，主要功能是用较小的基极电流控制两种，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较大的集电极电流，控制能力用电流放大系数表示。表示。三极管有输入特性和输出特性。三极管有输入特性和输出特性。4.各种光电器件是利用各种光电器件是利用PN结正向导通时发出可见光的结正向导通时发出可见光的特性制成的。特性制成的。