醫(yī)學(xué)電子儀器原理與技術(shù)

醫(yī)學(xué)電子儀器原理與技術(shù)第一頁，共三十五頁，2022年，8月28日本課程內(nèi)容醫(yī)學(xué)電子儀器與基礎(chǔ)電路生理參數(shù)測量儀器醫(yī)學(xué)超聲儀器臨床檢測分析儀器生理功能輔助儀器醫(yī)用光學(xué)技術(shù)與儀器治療用電子儀器放射治療腫瘤裝置醫(yī)用儀器干擾的抑制和安全用電第二頁，共三十五頁，2022年，8月28日第一章醫(yī)學(xué)電子儀器與基礎(chǔ)電子電路醫(yī)學(xué)電子儀器的特點醫(yī)學(xué)電子儀器的分類半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)知識生物醫(yī)學(xué)放大電路電子振蕩電路直流穩(wěn)壓電路數(shù)字邏輯電路第三頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.1醫(yī)學(xué)電子儀器的特點高精度、高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量

多門類、多品種、多規(guī)格

新技術(shù)、新材料、新原理應(yīng)用迅速第四頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.2醫(yī)學(xué)電子儀器的分類生物電檢測儀器及非電生理參數(shù)檢測儀器生物電檢測儀器（心電、肌電等）非電生理參數(shù)檢測儀器（體溫、血壓等）監(jiān)護(hù)儀器（床旁、中心監(jiān)護(hù)、手術(shù)監(jiān)護(hù)）

臨床檢驗分析儀器（血氣、生化分析儀）生理功能輔助儀器（呼吸機(jī)、麻醉機(jī)）醫(yī)用超聲儀器

第五頁，共三十五頁，2022年，8月28日醫(yī)學(xué)電子儀器的分類醫(yī)用X線診斷裝置X線計算機(jī)斷層成像系統(tǒng)(XCT)磁共振成像系統(tǒng)(MRI)核醫(yī)學(xué)診斷儀器及設(shè)備（ECT、PET）放射治療裝置（鈷60、X-刀、γ-刀）醫(yī)用光學(xué)儀器（醫(yī)用內(nèi)窺鏡等）治療與康復(fù)儀器第六頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.3半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)知識

常溫下的自然界中的物質(zhì)按其導(dǎo)電性能可分為以下三類。導(dǎo)體：導(dǎo)電性能良好，如銅、銀、鋁等金屬材料。絕緣體：幾乎不導(dǎo)電，如玻璃、橡膠、陶瓷等材料。半導(dǎo)體：其導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，如硅、鍺、砷化物和硫化物等材料。第七頁，共三十五頁，2022年，8月28日

半導(dǎo)體導(dǎo)電能力在不同條件下差異很大。

1.熱敏性環(huán)境溫度對半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力影響很大。對純凈半導(dǎo)體來說，溫度越高，導(dǎo)電能力就越強(qiáng)?；谶@種特性，可制成各種溫度敏感元件，如熱敏電阻等。

2.光敏性一些半導(dǎo)體材料受到光照時，導(dǎo)電能力隨之增強(qiáng)。利用這種特性可以制成各種光敏器件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光控晶閘管和光電池等。第八頁，共三十五頁，2022年，8月28日3.摻入微量雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響如果在純凈半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力將大大增強(qiáng)。而且摻入的雜質(zhì)元素不同、濃度不同，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能可以人為地控制。摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體兩種。第九頁，共三十五頁，2022年，8月28日N型、P型半導(dǎo)體及PN結(jié)

在半導(dǎo)體中摻入少量5價元素磷（或砷、銻），可使半導(dǎo)體內(nèi)的自由電子數(shù)量劇增。在這種半導(dǎo)體中自由電子占絕大多數(shù)，故稱為多數(shù)載流子（多子），而空穴則為少數(shù)載流子（少子）。它主要依靠帶負(fù)電的電子導(dǎo)電，所以叫電子型半導(dǎo)體，或N（Negative）型半導(dǎo)體。第十頁，共三十五頁，2022年，8月28日

在本征半導(dǎo)體中摻入少量3價元素硼（或鋁、鎵、銦），可使空穴的數(shù)量劇增。在這種半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，自由電子為少數(shù)載流子，它主要依靠帶正電的空穴導(dǎo)電，所以叫空穴型半導(dǎo)體，或P（Positive）型半導(dǎo)體。

第十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日單一的N型或P型半導(dǎo)體只能起電阻作用。但若將這兩種半導(dǎo)體以某種方式結(jié)合在一起，構(gòu)成PN結(jié)，就可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能受到控制，這樣才能制成各種具有不同特性的半導(dǎo)體器件。利用特殊的摻雜工藝，可使一塊半導(dǎo)體的一部分成為P型半導(dǎo)體（P區(qū)），而另一部分成為N型半導(dǎo)體（N區(qū)），則在兩者交界處形成一個具有特殊性質(zhì)的區(qū)域，稱之為PN結(jié)。第十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日

PN結(jié)的形成過程中同時存在著多子的擴(kuò)散運動和少子的漂移運動。當(dāng)PN結(jié)處于動態(tài)平衡狀態(tài)時，多子的擴(kuò)散電流與少子的漂移電流大小相等且方向相反，通過PN結(jié)的電流為零，即PN結(jié)處于不導(dǎo)電狀態(tài)。但如果在PN結(jié)兩端加上電壓，就會打破原來擴(kuò)散和漂移的動態(tài)平衡狀態(tài)，使PN結(jié)呈現(xiàn)單向?qū)щ姷男阅?。單向?qū)щ娦允荘N結(jié)的基本特性。

第十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日（a）加正向電壓（b）加反向電壓圖1.1PN結(jié)外加電壓第十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日

當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓時，PN結(jié)處于低電阻的導(dǎo)通狀態(tài)，正向電流較大；當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時，PN結(jié)處于高電阻的截止?fàn)顟B(tài)，反向電流很小。這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。但?dāng)加于PN結(jié)的反向電壓增大到一定數(shù)值時，反向電流可突然急劇增大，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。對應(yīng)于電流開始劇增時的電壓稱為反向擊穿電壓。發(fā)生反向擊穿時，只要反向電流的熱效應(yīng)不破壞PN結(jié)，當(dāng)反向電壓下降到擊穿電壓以下時，PN結(jié)的性能仍可恢復(fù)。第十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體二極管

半導(dǎo)體二極管實際上就是一個PN結(jié)，由一個PN結(jié)加上接觸電極、引線和管殼構(gòu)成的。它的用途很廣，如用作整流、高頻檢波和數(shù)字電路中的開關(guān)元件等。為適用于各種不同的用途，制成了各種類型的半導(dǎo)體二極管。但其工作原理都是基于PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。二極管的電路符號為；第十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.二極管的伏安特性

(1)正向特性

死區(qū)電壓正向?qū)▔航礥F

正向?qū)▍^(qū)(2)反向特性

反向截止區(qū)反向擊穿反向擊穿電壓圖1.2二極管伏安特性曲線第十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.二極管的應(yīng)用

二極管的應(yīng)用范圍很廣，利用其單向?qū)щ娦?，可組成整流、檢波、限幅、鉗位等電路。還可用它構(gòu)成其他元件或電路的保護(hù)電路，以及在脈沖與數(shù)字電路中作為開關(guān)元件等。在作電路分析時，一般可將二極管視為理想元件，即認(rèn)為其正向電阻為零，正向?qū)〞r為短路特性，正向壓降忽略不計。反向電阻為無窮大，反向截止時為開路特性，反向漏電流忽略不計。第十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日二極管導(dǎo)通與截止的判斷

要判斷二極管導(dǎo)通與截止，主要看二極管是處于正向偏置，還是反向偏置?？上葘⒍O管除去，分別計算管子兩極A點與B點電位，計算結(jié)果如是VA>VB，則二極管導(dǎo)通；如果VA<VB，則二極管截止。圖中二極管2AP1截止。第十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日3.特殊二極管

(1)穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管的伏安特性和普通二極管的伏安特性基本相似。只是穩(wěn)壓管的反向擊穿區(qū)特性曲線很陡，當(dāng)反向電壓達(dá)到擊穿電壓時，反向電流突然增大，穩(wěn)壓管被反向擊穿。在此狀態(tài)下，反向電流在很大范圍變化時，管子兩端的電壓基本保持不變，這就是穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性。它的主要作用是穩(wěn)壓和限幅。第二十頁，共三十五頁，2022年，8月28日(2)光電器件在信號傳輸和存儲等環(huán)節(jié)中，光電子系統(tǒng)的應(yīng)用日趨廣泛。它的突出優(yōu)點是：抗干擾能力強(qiáng)、傳送信息大、傳輸損耗小、工作可靠。光信號與電信號的接口，需要一些特殊的光電器件，如發(fā)光二極管、光敏二極管及光電耦合器等。第二十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日

發(fā)光二極管

是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體器件，簡稱LED，和普通二極管相似，也是由一個PN結(jié)構(gòu)成。常見的LED有紅、綠、黃等顏色。LED的PN結(jié)封裝在透明塑料管殼內(nèi)，外形有方形、矩形和圓形等。發(fā)光二極管的驅(qū)動電壓低、工作電流小，具有很強(qiáng)的抗振動和抗沖擊能力、體積小、可靠性高、耗電省和壽命長等優(yōu)點，廣泛用于信號指示和傳遞中。第二十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日

光敏二極管又稱光電二極管。其管殼上有透明聚光窗，由于PN結(jié)的光敏特性，當(dāng)有光線照射時，光敏二極管在一定的反向偏壓范圍內(nèi)，其反向電流將隨光射強(qiáng)度的增加而線性地增加，這時光敏二極管等效于一個恒流源。當(dāng)無光照時，光敏二極管的伏安特性與普通二極管一樣。第二十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日光電耦合器把發(fā)光器件和光敏器件組裝在一起，使用時將電信號送入輸入測的發(fā)光器件，將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，由輸出側(cè)的光敏器件（又稱受光器件）接收并再轉(zhuǎn)換成電信號。由于輸出與輸入之間沒有直接電氣聯(lián)系，信號傳輸是通過光耦合的，所以也稱其為光電隔離器。光電耦合器的特點：發(fā)光器件與受光器件互不接觸，絕緣電阻很高，并能承受2000V以上的高壓，因此經(jīng)常用來隔離強(qiáng)電和弱電系統(tǒng)；光電耦合器有極強(qiáng)的抗干擾能力；光電耦合器具有較高的信號傳遞速度。光電耦合器的用途很廣，如作為信號隔離轉(zhuǎn)換，脈沖系統(tǒng)的電平匹配，微機(jī)控制系統(tǒng)的輸入、輸出回路等。第二十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日

晶體三極管

晶體三極管是電子線路中的核心器件，它的突出特點是在一定的外加電壓條件下具有電流放大作用。第二十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.晶體管的結(jié)構(gòu)

晶體三極管簡稱為晶體管或三極管，其基本結(jié)構(gòu)是由兩個PN結(jié)構(gòu)成，組成形式有NPN和PNP兩種。第二十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日

三極管內(nèi)部有三個區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，其中基區(qū)較另兩個區(qū)要薄得多。這三個區(qū)分別引出三個電極：發(fā)射極E、基極B和集電極C。兩個PN結(jié)分別為發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間的發(fā)射結(jié)和集電區(qū)與基區(qū)之間的集電結(jié)，集電結(jié)面積較發(fā)射結(jié)面積要大。NPN型和PNP型三極管表示符號的區(qū)別是發(fā)射極的箭頭方向不同，它表示發(fā)射結(jié)加正向電壓時的電流方向。三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的特點是：發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，即多子濃度高；基區(qū)很薄且雜質(zhì)濃度低；集電區(qū)體積大，摻雜濃度較低。這是晶體管具有電流放大作用的內(nèi)因。第二十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.電流分配和電流放大作用

電源VBB使發(fā)射結(jié)承受正向偏置電壓，而電源VCC>VBB，使集電結(jié)承受反向偏置電壓，這樣可使三極管具有正常的電流放大作用。圖1.6晶體管電流放大實驗電路第二十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日通過實驗，可以得出以下關(guān)系：(1)IE=IC+IB，且IB與IE、IC相比小得很多，因而IE≈IC。

(2)IB雖然較小，但它對IC有控制作用，IC

隨IB的改變而改變，兩者之間有相應(yīng)的比例關(guān)系，即：

前者稱為靜態(tài)電流放大系數(shù)，后者稱為動態(tài)電流放大系數(shù)。它們反映了三極管的電流放大能力，或者說電流IB對IC的控制能力。第二十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日3.特性曲線

三極管的特性曲線全面反映了三極管各極電壓與電流之間的關(guān)系，是分析三極管各種電路的重要依據(jù)。

(1)輸入特性曲線輸入特性是指在三極管的集、射極間所加的電壓UCE為常數(shù)時，基、射極間電路UBE與基極電流IB之間的關(guān)系。第三十頁，共三十五頁，2022年，8月28日當(dāng)UCE=0時，集電極和發(fā)射極間短路，輸入特性相當(dāng)于由集電結(jié)和發(fā)射結(jié)組成的兩個二極管并聯(lián)的正向特性，這時的電流IB是兩個二極管的正向電流之和。當(dāng)UCE=1V時，對應(yīng)于相同的UBE，基極電流IB減小，曲線右移。當(dāng)UCE繼續(xù)增大時，其輸入特性曲線與UCE=1V時的輸入特性曲線幾乎重合。由圖可見，三極管的輸入特性曲線與二極管的伏安特性曲線很相似，也存在一段死區(qū)。第三十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日(2)輸出特性曲線

輸出特性曲線是指當(dāng)三極管基極電流IB為常數(shù)時，集電極電流IC與集、射極間電壓UCE間的關(guān)系。下圖為3DG6的輸出特性曲線。可見IB的取值不同，得到的輸出特性曲線也不同，所以，三極管的輸出特性曲線是一族曲線。根據(jù)三極管的工作狀態(tài)不同，可將輸出特性分為以下三個區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。第三十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日

a)截止區(qū)IB=0這條曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)，IC＝ICE≈0，集、射極間近似于斷開狀態(tài)。為了使三極管可靠截止，通常給發(fā)射結(jié)加上反向偏置電壓，即UBE<0V。b)放大區(qū)放大區(qū)是特性曲線中近似平行于橫軸的曲線族部分。當(dāng)UCE超過一定數(shù)值后（1V左右），IC呈現(xiàn)恒流特性。在放大區(qū)，IC與IB成正比，即