医学电子仪器原理和技术汇总

医学电子仪器原理与技术生物医学工程研究所医学电子仪器原理和技术汇总1/35本课程内容医学电子仪器与基础电路生理参数测量仪器医学超声仪器临床检测分析仪器生理功效辅助仪器医用光学技术与仪器治疗用电子仪器放射治疗肿瘤装置医用仪器干扰抑制和安全用电医学电子仪器原理和技术汇总2/35第一章医学电子仪器与基础电子电路医学电子仪器特点医学电子仪器分类半导体器件基础知识生物医学放大电路电子振荡电路直流稳压电路数字逻辑电路医学电子仪器原理和技术汇总3/351.1医学电子仪器特点高精度、高标准、高质量

多门类、多品种、多规格

新技术、新材料、新原理应用快速医学电子仪器原理和技术汇总4/351.2医学电子仪器分类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）监护仪器（床旁、中心监护、手术监护）

临床检验分析仪器（血气、生化分析仪）生理功效辅助仪器（呼吸机、麻醉机）医用超声仪器

医学电子仪器原理和技术汇总5/35医学电子仪器分类医用X线诊疗装置X线计算机断层成像系统(XCT)磁共振成像系统(MRI)核医学诊疗仪器及设备（ECT、PET）放射治疗装置（钴60、X-刀、γ-刀）医用光学仪器（医用内窥镜等）治疗与康复仪器医学电子仪器原理和技术汇总6/351.3半导体器件基础知识常温下自然界中物质按其导电性能可分为以下三类。导体：导电性能良好，如铜、银、铝等金属材料。绝缘体：几乎不导电，如玻璃、橡胶、陶瓷等材料。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。医学电子仪器原理和技术汇总7/35半导体导电能力在不一样条件下差异很大。1.热敏性环境温度对半导体导电能力影响很大。对纯净半导体来说，温度越高，导电能力就越强。基于这种特征，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。利用这种特征能够制成各种光敏器件，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。医学电子仪器原理和技术汇总8/353.掺入微量杂质对半导体导电性能影响假如在纯净半导体中掺入一些微量杂质，其导电能力将大大增强。而且掺入杂质元素不一样、浓度不一样，半导体导电性能能够人为地控制。掺入杂质半导体称为杂质半导体。依据掺入杂质不一样，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体两种。医学电子仪器原理和技术汇总9/35N型、P型半导体及PN结

在半导体中掺入少许5价元素磷（或砷、锑），可使半导体内自由电子数量剧增。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）。它主要依靠带负电电子导电，所以叫电子型半导体，或N（Negative）型半导体。医学电子仪器原理和技术汇总10/35

在本征半导体中掺入少许3价元素硼（或铝、镓、铟），可使空穴数量剧增。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，它主要依靠带正电空穴导电，所以叫空穴型半导体，或P（Positive）型半导体。

医学电子仪器原理和技术汇总11/35单一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，组成PN结，就可使半导体导电性能受到控制，这么才能制成各种含有不一样特征半导体器件。利用特殊掺杂工艺，可使一块半导体一部分成为P型半导体（P区），而另一部分成为N型半导体（N区），则在二者交界处形成一个含有特殊性质区域，称之为PN结。医学电子仪器原理和技术汇总12/35

PN结形成过程中同时存在着多子扩散运动和少子漂移运动。当PN结处于动态平衡状态时，多子扩散电流与少子漂移电流大小相等且方向相反，经过PN结电流为零，即PN结处于不导电状态。但假如在PN结两端加上电压，就会打破原来扩散和漂移动态平衡状态，使PN结展现单向导电性能。单向导电性是PN结基本特征。

医学电子仪器原理和技术汇总13/35（a）加正向电压（b）加反向电压图1.1PN结外加电压医学电子仪器原理和技术汇总14/35

当PN结外加正向电压时，PN结处于低电阻导通状态，正向电流较大；当PN结外加反向电压时，PN结处于高电阻截止状态，反向电流很小。这就是PN结单向导电性。但当加于PN结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结反向击穿。对应于电流开始剧增时电压称为反向击穿电压。发生反向击穿时，只要反向电流热效应不破坏PN结，当反向电压下降到击穿电压以下时，PN结性能仍可恢复。医学电子仪器原理和技术汇总15/35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、引线和管壳组成。它用途很广，如用作整流、高频检波和数字电路中开关元件等。为适合用于各种不一样用途，制成了各种类型半导体二极管。但其工作原理都是基于PN结单向导电性。二极管电路符号为；医学电子仪器原理和技术汇总16/351.二极管伏安特征

(1)正向特征

死区电压正向导通压降UF正向导通区(2)反向特征

反向截止区反向击穿反向击穿电压图1.2二极管伏安特征曲线医学电子仪器原理和技术汇总17/352.二极管应用

二极管应用范围很广，利用其单向导电性，可组成整流、检波、限幅、钳位等电路。还可用它组成其它元件或电路保护电路，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，普通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征，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征，反向漏电流忽略不计。医学电子仪器原理和技术汇总18/35二极管导通与截止判断

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VA>VB，则二极管导通；假如VA<VB，则二极管截止。图中二极管2AP1截止。医学电子仪器原理和技术汇总19/353.特殊二极管

(1)稳压二极管稳压管伏安特征和普通二极管伏安特征基本相同。只是稳压管反向击穿区特征曲线很陡，当反向电压到达击穿电压时，反向电流突然增大，稳压管被反向击穿。在此状态下，反向电流在很大范围改变时，管子两端电压基本保持不变，这就是稳压管稳压特征。它主要作用是稳压和限幅。医学电子仪器原理和技术汇总20/35(2)光电器件在信号传输和存放等步骤中，光电子系统应用日趋广泛。它突出优点是：抗干扰能力强、传送信息大、传输损耗小、工作可靠。光信号与电信号接口，需要一些特殊光电器件，如发光二极管、光敏二极管及光电耦合器等。医学电子仪器原理和技术汇总21/35

发光二极管

是一个将电能直接转换成光能固体器件，简称LED，和普通二极管相同，也是由一个PN结组成。常见LED有红、绿、黄等颜色。LEDPN结封装在透明塑料管壳内，外形有方形、矩形和圆形等。发光二极管驱动电压低、工作电流小，含有很强抗振动和抗冲击能力、体积小、可靠性高、耗电省和寿命长等优点，广泛用于信号指示和传递中。医学电子仪器原理和技术汇总22/35

光敏二极管又称光电二极管。其管壳上有透明聚光窗，因为PN结光敏特征，当有光线照射时，光敏二极管在一定反向偏压范围内，其反向电流将随光射强度增加而线性地增加，这时光敏二极管等效于一个恒流源。当无光照时，光敏二极管伏安特征与普通二极管一样。医学电子仪器原理和技术汇总23/35光电耦合器把发光器件和光敏器件组装在一起，使用时将电信号送入输入测发光器件，将电信号转换成光信号，由输出侧光敏器件（又称受光器件）接收并再转换成电信号。因为输出与输入之间没有直接电气联络，信号传输是经过光耦合，所以也称其为光电隔离器。光电耦合器特点：发光器件与受光器件互不接触，绝缘电阻很高，并能承受V以上高压，所以经惯用来隔离强电和弱电系统；光电耦合器有极强抗干扰能力；光电耦合器含有较高信号传递速度。光电耦合器用途很广，如作为信号隔离转换，脉冲系统电平匹配，微机控制系统输入、输出回路等。医学电子仪器原理和技术汇总24/35

晶体三极管

晶体三极管是电子线路中关键器件，它突出特点是在一定外加电压条件下含有电流放大作用。医学电子仪器原理和技术汇总25/351.晶体管结构

晶体三极管简称为晶体管或三极管，其基本结构是由两个PN结组成，组成形式有NPN和PNP两种。医学电子仪器原理和技术汇总26/35

三极管内部有三个区：发射区、基区和集电区，其中基区较另两个区要薄得多。这三个区分别引出三个电极：发射极E、基极B和集电极C。两个PN结分别为发射区与基区之间发射结和集电区与基区之间集电结，集电结面积较发射结面积要大。NPN型和PNP型三极管表示符号区分是发射极箭头方向不一样，它表示发射结加正向电压时电流方向。三极管内部结构上特点是：发射区掺杂浓度高，即多子浓度高；基区很薄且杂质浓度低；集电区体积大，掺杂浓度较低。这是晶体管含有电流放大作用内因。医学电子仪器原理和技术汇总27/352.电流分配和电流放大作用

电源VBB使发射结承受正向偏置电压，而电源VCC>VBB，使集电结承受反向偏置电压，这么可使三极管含有正常电流放大作用。图1.6晶体管电流放大试验电路医学电子仪器原理和技术汇总28/35经过试验，能够得出以下关系：(1)IE=IC+IB，且IB与IE、IC相比小得很多，因而IE≈IC。

(2)IB即使较小，但它对IC有控制作用，IC随IB改变而改变，二者之间有对应百分比关系，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。它们反应了三极管电流放大能力，或者说电流IB对IC控制能力。医学电子仪器原理和技术汇总29/353.特征曲线

三极管特征曲线全方面反应了三极管各极电压与电流之间关系，是分析三极管各种电路主要依据。

(1)输入特征曲线输入特征是指在三极管集、射极间所加电压UCE为常数时，基、射极间电路UBE与基极电流IB之间关系。医学电子仪器原理和技术汇总30/35当UCE=0时，集电极和发射极间短路，输入特征相当于由集电结和发射结组成两个二极管并联正向特征，这时电流IB是两个二极管正向电流之和。当UCE=1V时，对应于相同UBE，基极电流IB减小，曲线右移。当UCE继续增大时，其输入特征曲线与UCE=1V时输入特征曲线几乎重合。由图可见，三极管输入特征曲线与二极管伏安特征曲线很相同，也存在一段死区。医学电子仪器原理和技术汇总31/35(2)输出特征曲线

输出特征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间关系。下列图为3DG6输出特征曲线。可见IB取值不一样，得到输出特征曲线也不一样，所以，三极管输出特征曲线是一族曲线。依据三极管工作状态不一样，可将输出特征分为以下三个区域：截止区、放大区、饱和区。医学电子仪器原理和技术汇总32/35

a)截止区IB=0这条曲线以下区域称为截止区。在此区域内，IC＝ICE≈0，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UBE<0V。b)放大区放大区是特征曲线中近似平行于横轴曲线族部分。当UCE超出一定数值后（1V左右），IC展现恒流特征。在放大区，IC与IB成正比，即IC=βIB，随IB增加IC也增加，三极管含有电流放大作用。发射结为正向偏置，集电结为反向偏置。医学电子仪器原理和技术汇总33/35c)饱和区靠近输出特征纵坐标轴，曲线上升部分所对应区域称为饱和区。IC随IB增大而增大，UCE则对应减小，当IC增加到靠近于VCC/RC时，UCE近似为零，今后IB再增大，IC不再增大，即IC不再受IB控制，三极管进入饱和状态。此时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。医