医学电子仪器原理与技术-1

医学电子仪器原理与技术生物医学工程研究所孙文红课程安排理论学时24，实验学时12，共36学时。实验分组进行。考查课。开卷考试。实验成绩按出勤、实验报告等计入总成绩，占20分。联系电话：88382035E-mail:sunwh@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能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的抑制和安全用电第一章医学电子仪器与基础电子电路医学电子仪器的特点医学电子仪器的分类半导体器件的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1.1医学电子仪器的特点高精度、高标准、高质量

多门类、多品种、多规格

新技术、新材料、新原理应用迅速1.2医学电子仪器的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）生理功能辅助仪器（呼吸机、麻醉机）医用超声仪器

医学电子仪器的分类医用X线诊断装置X线计算机断层成像系统(XCT)磁共振成像系统(MRI)核医学诊断仪器及设备（ECT、SPECT、PET）放射治疗装置（钴60、X刀、γ刀，中子刀）医用光学仪器（医用内窥镜等）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。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。半导体的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。N型半导体多余电子磷原子硅原子多数载流子——自由电子少数载流子——空穴++++++++++++N型半导体自由电子电子空穴对

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。

P型半导体空穴硼原子硅原子多数载流子——空穴少数载流子——自由电子－－－－－－－－－－－－P型半导体空穴电子空穴对单一的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。Ｐ区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，Ｎ区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷，它们集中在Ｐ区和Ｎ区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的ＰＮ结.Ｐ区一侧呈现负电荷，Ｎ区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由Ｎ区指向Ｐ区的电场，由于这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场

P区N区

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。

图1.1PN结外加电压加正向电压加反向电压

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VA>VB，则二极管导通；如果VA<VB，则二极管截止。图中二极管2AP1截止。3.特殊二极管

(1)稳压二极管稳压管的伏安特性和普通二极管的伏安特性基本相似。只是稳压管的反向击穿区特性曲线很陡，当反向电压达到击穿电压时，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变化时，管子两端的电压基本保持不变，这就是稳压管的稳压特性。它的主要作用是稳压和限幅。(2)光电器件在信号传输和存储等环节中，光电子系统的应用日趋广泛。它的突出优点是：抗干扰能力强、传送信息大、传输损耗小、工作可靠。光信号与电信号的接口，需要一些特殊的光电器件，如发光二极管、光敏二极管及光电耦合器等。

发光二极管

是一种将电能直接转换成光能的固体器件，简称LED，和普通二极管相似，也是由一个PN结构成。常见的LED有红、绿、黄等颜色。LED的PN结封装在透明塑料管壳内，外形有方形、矩形和圆形等。发光二极管的驱动电压低、工作电流小，具有很强的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。LED作为一种新型的绿色固态光源，代表着未来的能源发展趋势，在二十一世纪将成为新一代节能光源。自问世以来，其发光颜色由红色发展为红、橙、黄、绿、蓝等，而照明所用的白光仅在近些年才发展起来，国际上掌握制造白光关键技术的厂商也仅有少数几家。在2007年大连国际创意博览会高科技展区里，大连森谷能源电力技术有限公司展出了白光LED节能日光灯、路灯及太阳能智能供电LED照明系统产品，成为国首家将LED半导体发光芯片技术转化为公共照明产品并成功打入市场的厂家。该公司研制的白光LED节能日光灯、路灯平均无故障使用时间达5万小时以上，使用寿命可达5年。在相同亮度的情况下，使用电网供电，LED节能日光灯比普通日光灯节能70%，路灯节能60%，1WLED节能日光灯的光效相当于25W日光灯产生的光效。

2008年，浪潮集团与济南高新区签署合作协议，在未来5-8年内，浪潮集团将投资30亿元发展光电子产业；项目全部完工后，浪潮将成为国内最大的半导体照明产业基地。半导体照明是一种节能环保的的光源，据专家计算，如果将我国四分之一的照明设备换成半导体照明，一年节电量相当于三峡电站全年的发电量。

光敏二极管又称光电二极管。其管壳上有透明聚光窗，由于PN结的光敏特性，当有光线照射时，光敏二极管在一定的反向偏压范围内，其反向电流将随光射强度的增加而线性地增加，这时光敏二极管等效于一个恒流源。当无光照时，光敏二极管的伏安特性与普通二极管一样。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的发光器件，将电信号转换成光信号，由输出侧的光敏器件（又称受光器件）接收并再转换成电信号。由于输出与输入之间没有直接电气联系，信号传输是通过光耦合的，所以也称其为光电隔离器。光电耦合器的特点：发光器件与受光器件互不接触，绝缘电阻很高，并能承受2000V以上的高压，因此经常用来隔离强电和弱电系统；光电耦合器有极强的抗干扰能力；光电耦合器具有较高的信号传递速度。光电耦合器的用途很广，如作为信号隔离转换，脉冲系统的电平匹配，微机控制系统的输入、输出回路等。

晶体三极管

晶体三极管是电子线路中的核