合病生医微罗屏遗传电子学计算机

绪论绪论学的各个领域，从基础医学的研究到临床、治疗和监护都离不开电子技术的应用。电子域和其它学科的知识，如生物物理学、生物工程医学电子学(dalElectrsM)。绪论绪论一一、电子学在生命科学和医学中的作1903年，v.Einthoven1929年，德国医生HansBerger用检流计在开换言之，生命的本质在于“电因此通过检测现象，各种疾病。经肌肉疾患的法。国外将电刺激用于瘫痪治其它物理量用于治疗：如微波、激光、射人们将电子学应用到生命科学与医学中的同的启发。二、医学电子学研究的内容和应用范育提高临床、治疗、护理和等工作的质量育绪论绪论⒈在医用电子技术装置的设计方 X线电视(X－TV)获得广泛

绪论绪论X－TV与荧光 相比，具有下列优点从暗室中解放出来； 便于实现影像数字化， 模拟信号通过A/D化，可获得数字图像和远距离传输影像层次、密度对比度更好，病灶显示更清晰，有⒋随着电子技术的进步，同位素装置在准确学电子学在治疗装置方⒍由于的发展，目前对高能粒子治疗癌⒎生物磁学（Biomagnetics）在防止生绪论绪论⒏电子学直接用于医学方面取得了很大发测技

绪论绪论自自1961年出现磁带录象机（T）以来，接着又出VTR多采用螺旋式，磁带绕过⒏电子学直接用于医学方面取得了很大发控技 录技授课授课名称：医学电子：医学电子学基础（第3版陈仲主 杨素行，模杨素行，模拟电子技术基础简等教童诗白，模拟电子技术，高等教卜锡滨，电路与模拟电子技术，人民邮，人体人体器与提提取非电生物信录介绍内容第一用半导体器件第二章基本放大电路第三效应管放大电第四物医学常用放大电路第五成运算放大器及应用第六章直流稳压电源第七章医用仪器干扰的抑制和安全用建议学习建议学习方知之，好之，乐适应本课程学习的一个重要转折与标志分析→综合（设计需要学习的三器件，电路，系学习的三个方本课程的理本课程的实本课程与其它课5．5．PAGE2PAGE2这个问题很大，解决这个问题是一个系统工程，首先需要时间，还要多看书和多实践。电子技术、无线电维修技术绝不是一门容易学好、短各方面又相互联系，只有在整体上了解、初步掌握它。通过这门科学至少包 面的内容：电路工作原理，这其一故障分析理论和检查方法，这是其二；动手操作能力这是其三。这 面技能 ，并且相互影响。从学习方法上讲，看一遍书是不能解决问题的，看一书是不行的。看书时，先通读一至二遍，在通读过程中能看懂就去下来，不能看懂的问题就暂时放一边，继续向下看，不要第一遍就精读，就想搞懂所有问题，对初学工作原理有一定的整体了解之后，再去精读全书。学习中，要以一本书为主辅多的类书为考书在主中有看不懂部分时，参考其他书的相关部分。应该分五步来走：第一步，培养。对电子技术要产生浓厚，如可音机、机、机、充电器、器、音乐门铃、无线PAGE3PAGE3第二步，增强自。产生了，并不一定就能坚持下去。比如修理某一电子产品，打开后盖，看到密密麻麻的电阻、电容、晶体管、集成块，可能会感到无从下手，看看电路图东扯西连如同天书，自然打消了一半积极性，若再不知所措地捣鼓半天，一无所获，甚至造成故障扩大化，或者不幸遭到电击，都会让你的丧失殆尽，产生畏惧心理，从而失去学好电子技术的自信心。这时最好的办法是不要急于只要成功了也会兴奋不已。平时更要找一些简易电路比如闪烁发光灯、小功率的音频放大器、声光控制器等，动手焊接既可享受成功带来的喜悦，又能不断增强自信，坚持不懈地学下去。PAGE6PAGE6才能练就扎实的基本功第四步，完善理。现在不少维修工作者拿来故障电器知道怎么修，知道该动哪儿，但不知道为什么要这么做，只知其然，不知其所以然。这完全是由于只有经验而不懂理论造成的。这种人小打小闹可以，若真要遇上复杂些的故障，也就束手无策 为力了。只有掌握理论明白其中的道理，才会应对自如临阵不慌。先学维修后学理论，会减少枯燥感有所针对性，学好理论返过来又能更好地指导实践，两者相辅相成，互为促进。学习理论时，可先找一些最基础的模拟和数字电路书籍，从易到难，逐步掌握常用电子元器件的功能作用、图形符号、型号分类、基本参数、测量方法、使用事项，明白电子技术中常用概念、单位换算，熟悉单元功能电路的原理、组成和状态分析等。同时还可以订一些技术报从专门文章及维修实例中汲取丰富的知识营养第五步，深入钻研。能走到这一步者，说明已经具备了一定的理论和操作水平，多数电器的常见故障已不在话下，较复杂的故障也能顺利应对排除，并能熟练运用所掌握的电子技术知识设计稍复杂的功能电路，研制一些实用电子产品但学习不能戛然而止就此满足，世上万物都不是一成不变的，电子技术发展更是迅猛，新技术与新理论层出不穷、日新月异，新产品犹如连绵不绝的大海潮水不断涌现，吸引着人们的眼球，同时也进一步提高了人们的生活质量对此我们只有积极寻找各种途径，特别是利用因特网不断学习不断充实，深入钻研，才会 立于不败之地，不被飞速发展的历史无情抛弃。医学电子学医学电子学基 医学电子学医学电子学基内容简内容简医学医学电子学基PAGE1半导体材：绝缘体：半导体：10－4Ω·cm<<109Ω·cm，导电性能介半导体的晶体结典型的元素半导体有硅Si和锗Ge，此外，还医学电子学基医学电子学基PAGE3元素半导体硅和在绝对零度时，价电子都处于稳定32，但它们有一状态，在纯净的半导体中基本上电子（价电子）有自由电子，是一个绝缘体。本征半导本征半导体：化学成分纯净、结构完整的体。它在物理结构上呈单晶体形态本征激发(热激发：受温度、光照等环境因素的影响，半导体共价键中的价电子获得足够的称之为本征激发（热激发）（见图1..2）。空穴：共价键中的空位空穴对。所以，在本征半导体ni=pi（ni－自K1—常数，硅为3.8710-6K-3/2/cm3，锗1.7610-6K-3/2/cm3；T—热力学温度；EGO—禁带宽度，硅为1.21eV，锗为0.785eV；k—波耳兹曼常数，8.6310-5eV/K。（e—单位电荷医学电子学基医学电子学基PAGE4场下，形成定向运动，从而产生电场下，形成定向运动，从而产生电流。所以，在导体中具有两种载流子：自由电子和空达到动态平衡，则ni=pi的值一定ni与pi的值与温度有关，对于硅材料，大约温度每升高8oC，ni或pi增加一倍；对于锗材料，大约温度每升高12oC，ni或pi增加一倍。载流子：能够参与导电的带电粒子半导体中载流子的移动：如图1.1.3所示。从图中医学电子学基医学电子学基PAGE5杂质半导杂质半导体：在本征半导体中参入微量的杂医学电子学基医学电子学基PAGE6医学电子学基医学电子学基PAGE7PP医学电子学基医学电子学基PAGE8所示。常用的五价元素的杂质有磷、砷和锑等医医学电子学基N型半导体结N型半导体结构示意9少少数载流多数载流正离医医学电子学基典型数据如下T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度ni=pi掺杂后N型半导体中的自由电子浓度ni= 以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 掌握下列半导体的基本概念本征半导本征激发、空穴、载流杂质半导P型半导体和N型半导受主杂质、施主杂质、多子、医医学电子学基5PN 5PN 意图如图1.1.6所示二.PN结的单向导电医学电子学基医学电子学基PN结加正向电向扩散电流PN结导通。其示图1.1.7所示。PN结加反向电向漂移电流，PN结截止。其示意图如图1.1.8PN结的单向导电PN结加正向电压（正偏）时导通；加（反偏）时截止的特性，称为PN结的单向导电性医医学电子学基三.三.PN结的特性曲1PN结的V-I特性表达S S

I(eUD/nU

式中，IS—反向饱和电流n—发射系数，与PN结的的尺寸、材料等有关，其值为1~2；UT—温UT=kT/q=0.026V医医学电子学基 图1.1.9PN结的正向特性n死区电导通电PN结的正向特为0.1V左右；。；。医医学电子学基PN结的反向特图1.1.10PN的反向特

反反向电流在一定温度下，少子的浓度一定，当反向电反向电流IR即为反向饱和电流I，基本保持不变。反向电流度的影响大硅 -IS锗医医学电子学基PN结的反向击穿特

图1.1.11PN结的反向击穿特

反向击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿两种类型雪崩击穿：当反向电压增加时，空间电荷区的电场随之空穴对在电场的作用下，同样会与晶体中的原子发生碰撞电离，再产生新的电子形成载流子的倍增效应。当反向电压增加到一定数值时，这种情况就象发生雪崩一样，载流子增加得多而快，使反结的雪崩击穿。齐纳击穿：齐纳击穿的机理与雪崩击穿不同。在较高的反向电压作用下，空间电荷区的电场变成强电场，有足够形成电子空穴对，造成载流子数目的急剧增加，从而导致了结的齐纳击穿。PN结的电容效势垒电容PN结外加电压变图1.1.12垒电容示意空间电荷区的宽度将随之变化，即耗尽层的电荷量随外加电压增加或减少，呈现出电容充放电的性质，其等效的电容称之为势垒电容。当图1.1.12垒电容示意医学医学电子学基扩散电容PN结外加正向电结电容CjCb图1.1.13散电容示意图1.1.13散电容示意医学医学电子学基主要介绍了以下基本内容PN结的单向导电性：正偏导通、反偏PN结的特性曲线正向特性：死区电压、导通电反向特性：反向饱和电流、温度影响PN结的电容效应：势垒电容、扩散电 本征半导体：本征激发、电子—杂质半导体：P型半导体和N 医医学电子学基半导体二极管的半导体二极管的结构及分结构：在PN结上加上引线和封装，就成为个二极管。由P区引出的电极为阳极（或正极1N区引出的电极为阴极（或负极） 医学电子学基医学电子学基PAGE2一.点接触型二极点接触图1.2.1二极管的结构

结面积小，结电容小，用于检波 医学电子学基医学电子学基PAGE3二.面接触型二极大电流整流电路面接触图1.2.1二极管的结构

医学电子学基医学电子学基PAGE5阳引阳引阴引PNP(c)图1.2.1三.作用，在型硅单晶片上仅选择性地扩散一部分而形成的结。由于半导体故而得名。阳极阳极k图1.2.2四.半导体二极管的V-I特二极管的特性与PN结的特性基本相同，也医学电子学基医学电子学基PAGE6 硅管:正向压降0.6--锗管 硅管:正向压降0.6--锗管:正向压降0.2--2.半导体二极管的V-I特iDISU /正向特RiD反向特①+V 5 0.20.4A-②V反向击穿特③锗管

锗二极管2AP15的V-I特PAGE7PAGE72.半导体二极管的2.半导体二极管的V-I降减小2~2.5mV；温度每升高10℃，反向电PAGE8PAGE8正负–+正负–+正向特性：二极管加正向电正+ 负反向特性：二极管加反向电9医学电子学基9医学电子学基

半导体二极管的最大整流电流长期运行时允许通过的 +-IF由PN结面积和外界散热条件决定，使用时，工作电流过IF且须满足散热条件，3.半导体二极管的反向击穿电压UBR和最大反向工作电压的反向电压的极为了保证二极管URM反向饱和电流

(4正向压降(4正向压降R+-

导通压降

Uon

0.70.2

PN结的伏安特（锗二极管典型值（（锗二极管典型值 3.半导体二极管的极间电容Cj或最高工作频率极间电容CjPN结存在扩散电容Cd和势垒电容Cb，极间电容是反映二极管中PN结电容效应的Cj=Cd+Cb。在高频或开关运行时，必须考虑极间电容最高工作频率fM半导体二极管的(5)极间电容Cj或最高工作频率r——二极管等效电C——二极管等效电容，PF级，非常小

C图1.2.4二极管高频当当ω→∞C的阻抗＝可见，频率ω越高，C的阻抗越小

结果，影响到二极管的状态医学电子学基医学电子学基4.4.(1(1)理想模(2)恒压降模*3折线型模*(4)小信号模二极管的等效模型电理想模正偏时图1.2.5二极管的理想等效模iD=0,RD图1.2.5二极管的理想等效模医医学电子学基 恒压降模图 二极管的恒压降等效模

正偏时反偏时iD=0,相当于一理电子开关和压源的串联 医医学电子学基二极管基本电路及模型分析二极管的静态工作情况分R

R

R —

(a)原电 (b)理想模型电 (c)恒压降模型电图1.2.7例1.2.1的电路例1.2.1求图1.2.7（a）所示电路的硅二极管电流ID和电压UD解：（1）理想模

（2）恒压降模型

VDDUDR

20

则

VDDR

20

例1.2.2如图1.2.8所示电路。忽略二极管正向压降和R+R+ui—U+图1.2.8例1.2.2电路 二极管开关电例1.2.3如图1.2.9所示电路。试求UI1、UI2为0和+5VU0UccRUccR图1.2.9例1.2.3电路 截000医医学电子学基二极管选择原则①当要求反向电压高时选硅管②当要求耐高温时选硅③当要求反向电流小时④当要求导通电压和正向压降低时选锗⑤在需要导通电流大时选面接触型二极⑥当需要工作频率高时选点接医医学电子学基稳压二极又称齐纳二极管，是一种特殊的面接触型半导体硅极管，利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管压时工作在反向电击穿状态稳压二极管的伏安特正向特性：与普通二极管相同

U稳压管的伏安特

医医学电子学基稳压二极管的伏安特，，管子在击穿后，通过其中的电流在很大范围内变化，而管子两端的电压变化范围却很小，这一现象使二极管在一定范围内能够起到稳定

UU稳压管的伏安特 稳压二极管的伏安特注意：这个“一定范围”就是管子由“击穿”转化为“稳压”的决定条件，管外电路必须有限制电流的措施，使电击穿不致于引起热击穿而损坏把利用反向击穿特性制成的二极管称为稳压管或稳压的条件：制造工艺加以保证，同时外电路中应有限流措施。 稳压二极管的主要参稳定电压动态电阻在正常工作区的电压变化量相应的电流变化量之比。=UZ ，rZ越小，电压定性越好最大耗散功率

U不发生热击穿时的最大功率PZM＝UZ 稳压二极管的主要参最大稳定工作电流IZmax和小稳定工作电流Z稳定电压温度系数——Z数为+0.095/℃，如果在20℃

U时的稳压值是11V，则在50℃时的稳压值Uz=11+0.095﹪×(50-一般说来，低于6的稳压管电压温度系数为负，高于6的稳压管电压温度系数为正，6左右的管子稳压值基本上不受温度影响。稳压管的稳压作用原理在于，电流有很大增量时，只引起很小的电压变化。反向击穿曲线愈陡，动态电阻愈小，稳压管的稳压性能愈好。在稳压管稳压电路中一般都加限流电阻R，使稳压管电流工作在IZax和IZmix的稳压范围。另外，在应用中还要采取适当的措施限制通过管子的电流，以保证管子不会因过热而烧坏（（3）RIILUiDWU0稳压原理RIILUiDWU0电网电压波动时Ui↑→Uo↑→IW↑↑→I↑↑→负载变化时RLIL

IR

U0U0

IZ

IRRRRUi4U0Ui5U0稳压二极管构成的稳压电例 人们最常用的6V左右的稳压管，试用2只6V稳压管利用串、并联方式，可以连出多少种输出电压的电路RUiRUi U0RUi2U0RUi U0五五种电（3）稳压二极管构成的稳压电 压管稳压电路，已知UO=6V，输入电压UI波动10%，RL=1k。RR+IRI+Z--图1.2.10稳压管稳压电解：（1解：（1）选择DZUZ UOIZmaxILmax(2~(2~(2~U0RLmin61000A(12~18)mA查手册，选择DZ2CW13，UZ=(5~6.5V)IZmax=38mA,

选择限流电阻UI

(12

18)V,取UI

1V UI

UO

15(110%)

IZ

38

6/1000 UI

15(110%)

IZ

5

6/1000R可取标称470111111,2,2,2,2,3,3,3,344556,6789）其它类型的二极变容二极二极管的结电容除了与本身结构和工艺有关外，还与外加的电压有关。变容二极管是利用增加而显著减小这一特性制成。工作在反向运行状态，变容二极管的电容量一般较小，其大小为～300p，最大电容和最小电容之比可达2以上，在高频技术中得到广泛应用。变容二极管的符号及结电容与电压之间的关系如下图a符k

10520 8.其它类型的二极光电二极是一种将光信号转换成电信号的特殊二极管。光电二极管的结构与P结二极管类似，并在N结处通过管壳上的一个玻璃窗口接收外部的光照，结的结面积做得比较大，以便接受光的照射。该器件工作在反向偏置状态，主要用于光控电路。外加反向电压，无光照时的反向电流称在外界光线的照射下，其反向电流与光照强度成正比。a特性曲符

ip

Up108 2 8.其它类型的二极发光二极简写成(LE)，是一种将电能转换成光能的特殊二极管。基本结构是一个结，工作在正向运行状态，由于电子和空穴直接复合而释放出光能量，使这种管子在有电∼之间，工作电流在30之间，电流越大，发光越强。常采用元素周期表Ⅲ、族元素的化合物砷化镓、磷化镓等）半导体制成，其发光颜色主要取决于所用半导体材料，常见的可发出红、黄和绿色等可见光。光谱范围一般较窄。其发光亮度与流过管子的电流成正比。发光二极管的电路符号如图： 符 或矩阵式器件符颜波基本材正向电压10mA光强10mA，张角光功红砷化红磷砷化鲜磷砷化黄磷砷化绿砷化

脉冲发光二发光二极发射电光缆传光电二极接收电8.其它类型的二极激光二极激光二极管的工作原理与气体激光器相同。但气体激光器所发射出的是可见光，而激光二极管发射的则是红外如计算机上的光盘驱动器和激光打印机的打印头等。 N- N-

P-

激光半导体激光二极 医学电子医学电子学基折线模型和1双极性晶体管的结构及类半它一块半导体上制成两个紧密结合的构 半它一块半导体上制成两个紧密结合的构 ，表示三极管符

双极两

管管

2 2结构特多也很复杂：掺杂刻、扩散等，硅平面管管芯结构剖面度很低；上述结构特点构成了晶体管具有放大作用 条件 3 3晶体管的电流放大作（1） （如图1.3.3所示子(形成Ie)；集电区流 控制载流子(在基区扩散与合种载流子(自由电子和空穴 管。或BJT(BipolarJunction4IE=IB+Ic>>Ib，电流放大作用 因Ic>>Ib和IcIb，Ib 5 5电压放大作用Ube有较小变化Ube，使Ib产生变化Ib，使IcIc，在Rc上产生电压降变化，从而产生Uce的变化Uce>>Ube综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很外部条件：6晶体管的共射特性曲反映三极管各极电压与电流之间关系的曲线，有输入特性曲线和输出特性曲线。输入特性曲

IB=f(UBE)当UCE一定时，基极电流IB与UBEUCEUCE=0VUCE图RE晶体管特性测试电 7 7输入特性曲当UCE=0V时，集电极、发射极短路，发射结、集电结均正偏，相当两个正偏二极管并联，类似于二极管正向特性当UCE≥1V时，UCB=UCE-UBE>0，集电结已进入反偏状态，开始收集电UCE=UCE=UCE= UCERE 8 8输入特性曲输入特性曲线的三个部①死硅管③线性锗管Uth③线性

锗UBEon=0.2V99输出特性曲线（图IC=f(UCE)RE输出特性曲线的三个区域RE

图行等距。此时，

IC IB,

IB正偏，集电结反偏

I

对I 的控晶体管的主要参直流参(a共射直流电流放大系数

一般

~图=IC/I图*(b)共基极直流电流放大系数=IC/IE

(0.95

极间反向电

图ICBO

Ie集电极发射极间的穿透电流ICEO=（1+基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流ICEO也称为集

交流参共射交流电流放大系数

图

共基交流电流放大系数ICEE

UCBcos

当ICBO和ICEO很小时

≈

加区分。引入后，三极管各极电流间IE=IC+IB，IC=IB，IE=(1+)IB 交流参共发射极截止频率f和特征频率f随f12当f增高，下降12

1时的频率，称为截止率f。 11

（2）交流（2）交流参fT：当f进一步升高，下降为1时的频率。由 0 可 1(f

f

010ff

f时，0 1f时 1

0

或f f/f 即与频率f的乘积不

f

则 fT

0f（2）交流（2）交流参输入电阻rbe：Ube与对应的Ib的比值。

bIbbb

0

（2）交流（2）交流参 300(1

E

(e)输(e)输出电阻rce：Ib不变时，Uce与对应的Ic的比即r IccIb常数QcI其值可由输出特性曲求得。如图所示0UI 极限参

极限参

图集电极最大允许

使用时不允许超过PCM=ICUCE=反向击穿电BUCBO—发射极开路时的集电结反向击穿电压BUEBO—集电极开路时发射结的反向击穿电压其关系为BUCBO＞BUCEO＞BUEBO 图1.3.12输出图1.3.12输出特性曲线上的过损耗区和击穿由PCMICM和BUCEO在输出特性曲线上可以确 晶体管的选管原保证其工作在安全区工作时，IC<ICM，PC<PCM，Uce<BUCEO输出电流大时，选ICM大的管；输出功率大时，选大的管，注意散热工作电压高时，选UCE大的管；三极管作为开关元件时，发射结要加反向电压，这时注意使U<B。输入信号频率高时，选高频管要求耐温性好，选硅管；要求导通电压低，选锗管同型号管，优先选用反向电流小的管子。

特殊三极光电三极管：又称光敏二极管与一只晶体管相连。般光电三极管只引出两个电极，基极不引出，也有两个结，并有型和型之分，与普通三极管的差别在于基区面积做得较大，发射区面积做得较小，入射光主要被基区吸收。如图所示。 6殊三极6殊三极光电光电耦合光电耦合器c是一种光电结合的半导体器件，它是将一个发光二极管器的工作原理是输入端加电信号时，发光二极管发光，光电现电－光－电的传输和转换。光电耦合器的特点是，以光为效地、隔噪声。ce输输e输输—6殊三极6殊三极光电耦合器应用电

RT

光电耦合器组成的开关电6殊三极6殊三极(3)、光电耦合器应用电路T截ucT截uc高电发光管无电流不发 T

输 无触点常开式开关电(3)、光电耦合器应用电路