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1、信息技术与信息化开发与应用2007年第2期121经络动态电阻检测取样电路的噪声分析The Noise Analysis of Sampling Circuits in meridian dynamic impedance testing边永生3王亚盛3 3李惠军3 3 3B IAN Yong-sheng WANG Ya-sheng LI Hui-jun摘 要 根据人体经络动态电阻抗的检测精度、 抗干扰、 低噪声等特殊指标的要求,对影响经络特性电子检测系统中的关键部分,取样放大电路的噪声源、 噪声产生机理进行了分析,提出了降低噪声设计、 提高检测精度的措施和方法,确定了电路中的关键元器件的参数,
2、在实际应用中达到了预期效果。关键词 经络电阻抗 噪声分析 元器件 电路设计Abstract The special targets of human meridian dynamic impedance such as testing precision, anti - jam2ming, low noise and so on are studied. Based on the analysis of the key parts the noise source of samplingamplification circuits and noise generative mechanism,
3、 which affect the humanmeridian electronic testing system,measures of depressing noise design and raising testing precision are discussed in detail .The key parameters incircuits are given bymeans of orthogonal test . Applications have achieved anticipated effects .Keywords Meridian impedance Noise
4、analysis Componen Circuit design3 莱芜市无线电管理局 2711003 3 威海康威电子通信集团公司 2642003 3 3 山东大学 信息科学与工程学院 250100研究证实,人体经络具有较其它部位相对低的动态非线性电阻抗特征,经络中的自由离子、 电解质和蛋白质等物质具有良好的导电性。人体的许多疾病和病例变化,导致经络中的导电物质、 导热物质的电性能发生相应的变化。变化结果表征着病变或健康状况的变化。强化检测诊断结果,重点在于实现经络阻抗的取样和检测。涉及信号取样、 放大和处理过程中的各种噪声影响,使检测精度、 分辨率和再现性指标发生偏差。1 取样电路原理的分
5、析及设计电路原理设计如图1所示。在电路设计中,将人体经络电阻抗RL作为由三极管T和运算放大器U1构成的渐变式线性恒流源的负载。由于IC是恒定线性渐变电流, RL是经络的非线性动态电阻抗,因此,电压VB的变化与经络电阻抗RL保持同步非线性变化。电阻R2、R3是线性电阻,所以,将A点的电压VA作为取样信号,能够完全反映出经络电阻抗RL的真实变化情况。运算放大器U2对检测到的信号VA进行放大处理。通过电路分析可知,VA与RL的关系为:VA=RLR3IC/ (RL+R2+R3)(1)当电路参数恒定不变时,VA的数值和变化完全能反映出经络电阻抗RL的真实数据和变化。根据医疗仪器的相关标准要求,结合本电子
6、检测系统的特点和实际临床需要,规定了U2输入端的信噪比应大于21.8dB,对人体经络动态电阻抗RL的检测精度误差应小于 0. 2%。图1 取样及放大电路原理图2 噪声源及噪声分析在图1的检测电路中,产生噪声的元器件主要有运算放大器U1、U2,三极管T和电阻R2和R3。根据噪声产生的机理不同,可分为热噪声、 散粒噪声和1/f噪声。2. 1 热噪声热噪声的电压源值由下面的公式进行计算:VTn= (4KTR f)1/2 (2)其中,VTn:噪声电压有效值; K:波耳兹曼常数(1. 3810- 23JK- 1) ; T:绝对温度(K) ;f:频带宽度(Hz) ; R:噪声源等效电阻()。在图1所示的电
7、路中,主要产生热噪声的元器件是电阻R2、R3,三极管中基区体电阻rb、 发射区体电阻re和源电阻RS。由公式(1)可见,热噪声由于来自器件自身,从而无法根本消除,应尽可能选择阻值较小的电阻来降低热噪声。2. 2 散粒噪声开发与应用信息技术与信息化122 2007年第2期半导体PN结的散粒噪声电流源用Isn表示:Isn= (2qI f)1/2 (3)由此可见,使用晶体管时应选正向电流I的取值尽可能小,以减少散粒噪声。2. 3 1/f噪声11/f噪声是半导体材料特有的一种噪声。在图1所示的电路中,三极管T、 运算放大器U1和U2都是半导体材料制作的,在低频段工作时,其产生的1/ f噪声对电路正常工
8、作影响非常大。在图1的NPN型三极管中, 1/f噪声产生的机理主要有三个方面:(1)基区氧化层表面的陷阱或位错中的空穴占据率起伏、 发射区表面电荷区的调制复合速率起伏,产生1/f噪声,噪声电流源用IR表示。(2)在从发射极向集电极的电子扩散电流IEN中,电子和声子的相互作用导致电子迁移率的起伏引而起1/f噪声,噪声电流源用Inn表示。(3)在从基区注入到发射区的空穴电流IEP中,由于空穴和声子的相互作用导致空穴迁移率的起伏而引起1/f噪声,噪声电流源用Ipn表示。在图2的NPN型三极管(包括集成电路中的三极管)共发射极等效电路1中,分别给出了主要的热噪声、 散粒噪声和1/f噪声。其中:基区体电
9、阻噪声电压:VTnb= (4KTrb f)1/2发射区体电阻噪声电压:VTne= (4KTre f)1/2图2 NPN型三极管共发射极等效电路基极偏置源电阻噪声电压:VTns= (4KTR S f)1/2集电结散粒噪声电流: Isnc= (2qIc f)1/2基极1/f噪声电流: Ifnb=- ( IR+ Ipn)集电极1/f噪声电流: Ifnc=- InnHooge因子是一个与器件尺寸无关的常数,它是一个判断材料性能的重要参数。由于现代半导体技术和工艺水平的提高,三极管及集成电路中的表面陷阱、 缺陷和电荷复合速率都非常小,因此产生的1/f噪声电流IR也很小,可以忽略不计。根据Kleinpen
10、ning公式1可以进一步推导出1/f噪声电流源I2 pn和I2 nn的计算公式如下:I2 pn= 2qIbapfTf /2fln P(0) /P(We) (4)式中: fT= 1/2dp,dp= We2/2Dp。dp是从基区注入到发射区的空穴通过发射结的时间,We是发射结宽度, Dp是空穴扩散系数, P(0)和P (We)分别为发射区中靠近基区一边和发射区表面处的空穴浓度。I2 nn= 2qIcanfTf /2flnN (0) /N (Wb) (5)式中: fT= 1/2dn,dn= Wb2/2Dn。dn是从电子从集电极向发射极的扩散通过基区的时间,Wb是基区宽度, Dn是电子扩散系数,N (
11、0)和N (Wb)分别为基区中靠近发射区一边和靠近集电区一边的电子浓度。通常,电子扩散系数大于空穴扩散系数,常温下硅的Dn=35cm2/s,Dp=13cm2/s。不同材料、 不同结构的三极管,其Hooge因子也不同,对于PNP三极管来说 1 , an= 10- 710- 8, ap=10- 510- 6。由于平面结构三极管都采用发射区重参杂技术设计方案,一般情况下:4 250V)、 低频( fT150)等特点,而且IC能够在微安级正常工作。如果选用PNP型三极管,由于其扩散系数D和Hoog因子相对较小,其1/f噪声还会更小。根据公式(2)分析可知,电阻R1、R2和R3的精度要高、 温度系数要小
12、、 在保证电流的前提下,阻值尽量设计的小一些,功率余量大,一般选择0. 25W、 误差为 0. 5的金属膜精密电阻为宜。3. 2 运算放大器的参数考虑用于恒流源的运算放大器U1,采用零电阻负反馈电路设计方案,使其具有很强的抑止U1本身内部产生的谐波畸变和噪声干扰等特点,同时输出电压VO1等于输入Vi,并完成输入输出的阻抗变换。U1内部的噪声大小将对整个恒流源的稳定工作产生较大的影响4。因此,在设计电路时,选择低输入等效噪声电压和输入等效噪声电流的运算放大器非常重要。特别是对于高输入阻抗的电路来说,输入噪声电流应当控制在pA级。如选择SE5534运算放大器,其典型参数为:等效输入噪声电流0. 4
13、 pA /HZ1/2,等效噪声输入电压3. 5nV /HZ1/2,其它参数也能符合电路设计要求。 对用于检测信号进行放大的运算放大器U2,同样采用负反馈设计,负反馈电阻为R5,U2的输出电压VO为:VO= (R4+ R5)VA/ R4 (6)由于电压VA和电流IA的数值很小,通常VA在30mV500mV之间, IA在0. 6A10A之间。一般运算放大器的输入失调电压和输入失调电流较大,根本无法对微弱的小信号进行分辩、 检测和精确放大。应当选择输入失调电压为V级,输入失调电流为pA级的低噪声运算放大器。如:TLC2652的典型参数为:输入失调电压0. 5V,输入失调电压漂移0. 003V /,失
14、调电压长期漂移0. 003V /月,输入失调电流2pA,等效输入噪声电压94 nV /Hz1/2 f =10Hz。为此,可以计算出最低电压信噪比为24. 8dB,并能够检测分辩50V以上的电压信号和0. 2nA以上的电流信号,可以满足设计指标要求。电阻R4、R5的选择和要求同R1、R2和R3。3. 3 取样传感器的抗干扰性能为了降低噪声、 提高抗干扰能力,采用网状屏蔽的低电阻率、 低损耗的传输电缆和低电阻电极,采用低通滤波电路和屏蔽措施,提高抗干扰能力。结论综上所述,为了保障经络动态阻抗的检测精度和检测电路的抗干扰特性,文章着重对测试电路的检测系统、 取样放大电路的噪声源及其噪声产生的可能机理
15、进行了较为详尽的剖析,进而提出了有效降低噪声、 提高检测精度的电路设计思想和应采取的技术措施,并以此为设计依据确定了电路关键元器件的参数。通过实际应用验证,该电子检测系统对经络动态电阻的检测精度达 0. 16% ,输入端信噪比为23.2dB,测试精度和抗干扰性能完全能够满足临床应用需要。参考文献:1 J. KI LMER, A. VAN DER ZIEL and G . BOS MAN, Pres2ence ofMobility - Fluctuation 1/fNoise Identified In Sili2con P +NP Transistor , IEEE Trans . 10(19
16、84) , 27 - 28.2 G . Bosman, R. J. J. Zijlstra and A. Van Rheenen, physica1128, 193(1982) , 55.3 程军,传感器的噪声及其抑制方法,电子工程2003, 3(1) , 36 - 37.4 张郁弘 、 庄灿涛编著,晶体管运算放大器及其应用,第1版,北京,国防工业出版社, 1978年, 283 - 285.作者简介 边永生,男,高级工程师, 1990年毕业于山东工业大学半导体物理与器件专业。现任莱芜市无线电管理局办公室主任,山东大学信息科学与工程学院在职研究生,目前主要从事无线电信息采集和信息管理工作。王亚盛,男,高级工程师, 1982年毕业于山东工学院半导体物理与器件专业。目前主要从事人体经络的电子检测理论、 方法与疾病诊断研究。李惠军,男,山东大学信息科学与工程
