医学电子仪器原理与技术课件.ppt

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 l医学电子仪器与基础电路 l生理参数测量仪器 l医学超声仪器 l临床检测分析仪器 l生理功能辅助仪器 l医用光学技术与仪器 l治疗用电子仪器 l放射治疗肿瘤装置 l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 l医学电子仪器的分类 l半导体器件的基础知识 l生物医学放大电路 l电子振荡电路 l直流稳压电路 l数字逻辑电路 1.1 医学电子仪器的特点 l高精度、高标准、高质量 l多门类、多品种、多规格 l 新技术、新材料、新原理应用迅速 1.2 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 （心电、肌电等） 非电生理参数检测仪器 （体温、血压等 ） l监护仪器（床旁、中心监护、手术监护） l临床检验分析仪器 （血气、生化分析仪） l生理功能辅助仪器 （呼吸机、麻醉机） l医用超声仪器 医学电子仪器的分类 l医用X线诊断装置 lX线计算机断层成像系统(XCT) l磁共振成像系统 (MRI) l核医学诊断仪器及设备 （ECT、PET） l放射治疗装置 （钴60、X-刀、-刀） l医用光学仪器 （医用内窥镜等） l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。 l导体：导电性能良好，如铜、银、铝等金属材 料。 l绝缘体：几乎不导电，如玻璃、橡胶、陶瓷等 材料。 l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1.1 PN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VAVBB， 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。 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 ICE0，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=IB，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