Дифференциальный усилитель

Биопотенциалы, возникающие в организме человека, очень малы по величине и в десятки исотни раз меньше посторонних электромагнитных сигналов (помех), самопроизвольно поступающих на вход усилителя. В результате этого на выходе обычного усилителя буде наблюдаться очень большой ибеспорядочно изменяющийся сигнал помехи, на фоне которого практически невозможно наблюдать слабый исследуемый сигнал. Поэтому, для усиления биопотенциалов используются дифференциальные усилители. Их преиму­щество состоит в том, что они усиливают полезный сигнал и уничтожают сигнал помехи, то есть дифференциальный усилитель обладает высокой помехозащищённостью. Рассмотрим прин­цип его действия этого усили­теля (ОУ).

Особенностью дифференциального уси­лителя является наличие у него двух входов – инвертирующего (Вх1) и неинвертирующего (Вх2) и од­ного общего выхода. Коэффициен­ты усиления для этих входов одинаковы по величине, но противоположны по знаку: U_вых1= – К U_вх1; U_вых2= + К U_вх2

Напряжение на инвертирующий вход (–) поступает между общей точкой j₀и Вх 1, а на неинвертирующий (+) – между общей точкой и Вх 2 (см. Рис.4).

Если на первый вход подать напряжение U_bx1, и на второй – напряжение U_bx2, то на выходе усилителя будет усиленная разность этих сигналов:

U_вых = U_вых2+U_вых1 = К (U_вх2 – U_вх1).

Поэтому такой уси­литель и называют дифференциальным, так как он усиливает не са­ми сигналы, а их разность (англ. difference – разность).

Если на оба входа дифференциального усилителя поступают одинаковые сигналы (и по амплитуде и по фазе),то на выходе усилителя будет ноль, так как оба сигнала на выходе уничтожат друг друга.

Именно это свойство дифференциального усилителя оказывается чрезвычайно полезным для борьбы с помехой при регистрации слабых сигналов. Предположим, что необходимо усилить разность потенциалов в I-ом отведении ЭКГ. На рис.4 показано, что электроды А(левая рука) и В (правая рука) подключены к клеммам Вх1 и Вх2 усилителя соответственно.

Третий электрод соединяет общую клемму усилителя φ₀ с правой ногой пациента, не участвующей отведениях Эйнтховена, и служит опорным.

Напряжение, возникающее между электродом А (левая рука) и опорным электродом (правая нога) подаётся на вход 1 усилителя, а напряжение между электродом В (правая рука) и опорным электродом подаётся на вход 2, при этом на оба входа одновременно поступают идентичные помехи U_пом, напряжения которых могут быть значи­тельно больше напряжения полезного сигнала:

U_вх1 = φ_А–φ₀ +U_пом; U_вх2 = φ_В–φ₀ +U_пом;

На выходе усилителя получим усиленную в К раз разность этих входных сигналов: U_вых = К (U_вх2 – U_вх1) = К(φ_В–φ_А), которая представляет собой усиленное в К раз I отведение ЭКГ, а сигналы помехи взаимно уничтожаются.

Отметим, что потенциал φ₀ опорного электрода тоже уничтожается и не влияет на конечный результат, поэтому этот электрод можно накладывать на любую точку тела пациента, но подключать опорный электрод к пациенту надо обязательно, чтобы правильно подвести напряжения к обоим входам дифференциального усилителя. Из соображений удобства договорились накладывать его на правую ногу пациента, свободную от подключения стандартных отведений.