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1、医学电子仪器原理与技术医学电子仪器原理与技术生物医学工程研究所生物医学工程研究所本课程内容本课程内容l l医学电子仪器与基础电路医学电子仪器与基础电路l l生理参数测量仪器生理参数测量仪器l l医学超声仪器医学超声仪器l l临床检测分析仪器临床检测分析仪器l l生理功能辅助仪器生理功能辅助仪器l l医用光学技术与仪器医用光学技术与仪器l l治疗用电子仪器治疗用电子仪器l l放射治疗肿瘤装置放射治疗肿瘤装置l l医用仪器干扰的抑制和安全用电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 l医医学学电电子子仪仪器器的的特特点点l l医医学学电电子子仪仪器器的的分分类类l l半半导
2、导体体器器件件的的基基础础知知识识 l l生生物物医医学学放放大大电电路路 l l电电子子振振荡荡电电路路 l l直直流流稳稳压压电电路路 l l数数字字逻逻辑辑电电路路 1.1 医学电子仪器的特点医学电子仪器的特点l l高精度、高标准、高质量高精度、高标准、高质量 l l多门类、多品种、多规格多门类、多品种、多规格 l l 新技术、新材料、新原理应用迅速新技术、新材料、新原理应用迅速1.2 医学电子仪器的分类医学电子仪器的分类l 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及非电生理参数检测仪器 生物电检测仪器生物电检测仪器生物电检测仪器生物电检测仪器 （心电、肌电等）（心电、肌电等
3、）（心电、肌电等）（心电、肌电等） 非电生理参数检测仪器非电生理参数检测仪器非电生理参数检测仪器非电生理参数检测仪器 （体温、血压等）（体温、血压等）（体温、血压等）（体温、血压等）l l监护仪器（床旁、中心监护、手术监护）监护仪器（床旁、中心监护、手术监护） l l临床检验分析仪器临床检验分析仪器 （血气、生化分析仪）（血气、生化分析仪）l l生理功能辅助仪器生理功能辅助仪器 （呼吸机、麻醉机）（呼吸机、麻醉机）l l医用超声仪器医用超声仪器 医学电子仪器的分类医学电子仪器的分类l l医用医用X线诊断装置线诊断装置l lX线计算机断层成像系统线计算机断层成像系统(XCT) l l磁共振成像系
4、统磁共振成像系统 (MRI) l l核医学诊断仪器及设备核医学诊断仪器及设备 （ECT、PET）l l放射治疗装置放射治疗装置 （钴（钴60、X-刀、刀、-刀）刀）l l医用光学仪器医用光学仪器 （医用内窥镜等）（医用内窥镜等）l l治疗与康复仪器治疗与康复仪器 1.3 半导体器件的基础知识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常温下的自然界中的物质按其导电性能可分为常温下的自然界中的物质按其导电性能可分为常温下的自然界中的物质按其导电性能可分为以下三类。以下三类。以下三类。以下三类。l l导体：导电性能良好，如铜、银、铝等金属材导体：导电性能良好，如铜、银、铝等金属材
5、导体：导电性能良好，如铜、银、铝等金属材导体：导电性能良好，如铜、银、铝等金属材料。料。料。料。l l绝缘体：几乎不导电，如玻璃、橡胶、陶瓷等绝缘体：几乎不导电，如玻璃、橡胶、陶瓷等绝缘体：几乎不导电，如玻璃、橡胶、陶瓷等绝缘体：几乎不导电，如玻璃、橡胶、陶瓷等材料。材料。材料。材料。l l半导体：其导电性能介于导体和绝缘体之间，半导体：其导电性能介于导体和绝缘体之间，半导体：其导电性能介于导体和绝缘体之间，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。如硅、锗、砷化物和硫化物等材料。如硅、锗、砷化物和硫化物等材料。如硅、锗、砷化物和硫化物等材料。 半导体导电能力在不
6、同条件下差异很大。半导体导电能力在不同条件下差异很大。 环环环环境境境境温温温温度度度度对对对对半半半半导导导导体体体体的的的的导导导导电电电电能能能能力力力力影影影影响响响响很很很很大大大大。对对对对纯纯纯纯净净净净半半半半导导导导体体体体来来来来说说说说，温温温温度度度度越越越越高高高高，导导导导电电电电能能能能力力力力就就就就越越越越强强强强。基基基基于于于于这这这这种种种种特特特特性性性性，可可可可制制制制成成成成各各各各种种种种温温温温度度度度敏敏敏敏感感感感元元元元件，如热敏电阻等。件，如热敏电阻等。件，如热敏电阻等。件，如热敏电阻等。 一一一一些些些些半半半半导导导导体体体体材材
7、材材料料料料受受受受到到到到光光光光照照照照时时时时，导导导导电电电电能能能能力力力力随随随随之之之之增增增增强强强强。利利利利用用用用这这这这种种种种特特特特性性性性可可可可以以以以制制制制成成成成各各各各种种种种光光光光敏敏敏敏器器器器件件件件，如如如如光光光光敏敏敏敏电电电电阻阻阻阻、光光光光敏敏敏敏二二二二极极极极管管管管、光光光光敏敏敏敏三三三三极极极极管管管管、光光光光控晶闸管和光电池等。控晶闸管和光电池等。控晶闸管和光电池等。控晶闸管和光电池等。 如果在纯净半导体中掺入某些微量杂质，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。而且掺入的杂其导电能力将大大增强。而且掺
8、入的杂质元素不同、浓度不同，半导体的导电质元素不同、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，杂质半导体可分为同，杂质半导体可分为N型半导体和型半导体和P型型半导体两种。半导体两种。 N型、型、P型半导体及型半导体及PN结结 在在半半导导体体中中掺掺入入少少量量5价价元元素素磷磷（或或砷砷、锑锑），可可使使半半导导体体内内的的自自由由电电子子数数量量剧剧增增。在在这这种种半半导导体体中中自自由由电电子子占占绝绝大大多多数数，故故称称为为多多数数载载流流子子（多多子子），而而空
9、空穴穴则则为为少少数数载载流流子子（少少子子）。它它主主要要依依靠靠带带负负电电的的电电子子导导电电，所所以以叫叫电电子子型型半半导体，或导体，或N（Negative）型半导体型半导体。 在本征半导体中掺入少量在本征半导体中掺入少量3价元素硼价元素硼（或铝、镓、铟），可使空穴的数量（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，所以叫主要依靠带正电的空穴导电，所以叫空穴型半导体，或空穴型半导体，或P（Positive）型半型半导体。导体。 单单一一的的N型型
10、或或P型型半半导导体体只只能能起起电电阻阻作作用用。但但若若将将这这两两种种半半导导体体以以某某种种方方式式结结合合在在一一起起，构构成成PN结结，就就可可使使半半导导体体的的导导电电性性能能受受到到控控制制，这这样样才才能能制制成成各各种具有不同特性的半导体器件。种具有不同特性的半导体器件。 利利用用特特殊殊的的掺掺杂杂工工艺艺，可可使使一一块块半半导导体体的的一一部部分分成成为为P型型半半导导体体（P区区），而而另另一一部部分分成成为为N型型半半导导体体（N区区），则则在在两两者者交交界界处处形形成成一一个个具具有有特特殊殊性性质质的的区区域，称之为域，称之为PN结结。 PN结的形成过程中
11、同时存在着多子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。当的扩散运动和少子的漂移运动。当PN结结处于动态平衡状态时，多子的扩散电流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，与少子的漂移电流大小相等且方向相反，通过通过PN结的电流为零，即结的电流为零，即PN结处于不导结处于不导电状态。电状态。 但如果在但如果在PN结两端加上电压，就会结两端加上电压，就会打破原来扩散和漂移的动态平衡状态，打破原来扩散和漂移的动态平衡状态，使使PN结呈现单向导电的性能。结呈现单向导电的性能。单向导电单向导电性是性是PN结的基本特性。结的基本特性。 （a）加正向电压（b）加反
12、向电压图图1.1 PN结外加电压结外加电压 当当当当PNPN结外加正向电压时，结外加正向电压时，结外加正向电压时，结外加正向电压时，PNPN结处于低电结处于低电结处于低电结处于低电阻的导通状态，正向电流较大；当阻的导通状态，正向电流较大；当阻的导通状态，正向电流较大；当阻的导通状态，正向电流较大；当PNPN结外加反结外加反结外加反结外加反向电压时，向电压时，向电压时，向电压时，PNPN结处于高电阻的截止状态，反向结处于高电阻的截止状态，反向结处于高电阻的截止状态，反向结处于高电阻的截止状态，反向电流很小。这就是电流很小。这就是电流很小。这就是电流很小。这就是PNPN结的单向导电性。但当加结的单
13、向导电性。但当加结的单向导电性。但当加结的单向导电性。但当加于于于于PNPN结的反向电压增大到一定数值时，反向电结的反向电压增大到一定数值时，反向电结的反向电压增大到一定数值时，反向电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，这种现象称为流可突然急剧增大，这种现象称为流可突然急剧增大，这种现象称为流可突然急剧增大，这种现象称为PNPN结的反向结的反向结的反向结的反向击穿。对应于电流开始剧增时的电压称为反向击穿。对应于电流开始剧增时的电压称为反向击穿。对应于电流开始剧增时的电压称为反向击穿。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，只要反向电流的击穿电压。发生反向击
14、穿时，只要反向电流的击穿电压。发生反向击穿时，只要反向电流的击穿电压。发生反向击穿时，只要反向电流的热效应不破坏热效应不破坏热效应不破坏热效应不破坏PNPN结，当反向电压下降到击穿电结，当反向电压下降到击穿电结，当反向电压下降到击穿电结，当反向电压下降到击穿电压以下时，压以下时，压以下时，压以下时，PNPN结的性能仍可恢复。结的性能仍可恢复。结的性能仍可恢复。结的性能仍可恢复。半导体二极管半导体二极管 半导体二极管实际上就是一个半导体二极管实际上就是一个PN结，结，由一个由一个PN结加上接触电极、引线和管壳结加上接触电极、引线和管壳构成的。它的用途很广，如用作整流、构成的。它的用途很广，如用作
15、整流、高频检波和数字电路中的开关元件等。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。但其工作原理都类型的半导体二极管。但其工作原理都是基于是基于PN结的单向导电性。结的单向导电性。 二极管的电路符号为二极管的电路符号为； 1. 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 (1)正向特性正向特性 死区电压死区电压死区电压死区电压 正向导通压降正向导通压降正向导通压降正向导通压降U UF F 正向导通区正向导通区正向导通区正向导通区(2)反向特性反向特性 反向截止区反向截止区反向截止区反向截止区 反向击穿反向击穿反向击穿反向击穿
16、反向击穿电压反向击穿电压反向击穿电压反向击穿电压 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 二极管的应用范围很广，利用其单向导电二极管的应用范围很广，利用其单向导电二极管的应用范围很广，利用其单向导电二极管的应用范围很广，利用其单向导电性，可组成性，可组成性，可组成性，可组成整流、检波、限幅、钳位整流、检波、限幅、钳位整流、检波、限幅、钳位整流、检波、限幅、钳位等电路。等电路。等电路。等电路。还可用它构成其他元件或电路的保护电路，以还可用它构成其他元件或电路的保护电路，以还可用它构成其他元件或电路的保护电路，以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
17、关元件等。在作及在脉冲与数字电路中作为开关元件等。在作及在脉冲与数字电路中作为开关元件等。在作及在脉冲与数字电路中作为开关元件等。在作电路分析时，一般可将电路分析时，一般可将电路分析时，一般可将电路分析时，一般可将二极管视为理想元件，二极管视为理想元件，二极管视为理想元件，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即认为其正向电阻为零，正向导通时为短路特即认为其正向电阻为零，正向导通时为短路特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，性，正向压降忽略不计。反向电阻为无穷大，性，正向压降忽略不计。反向电阻为无穷大，性，正向压降忽略不计。反向
18、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。反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。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二极管导通与截止的判断 要要要要判判判判断断断断二二二二极极极极管管管管导导导导通通通通与与与与截截截截止止止止，主主主主要要要要看看看看二二二二极极极极管管管管是是是是处处处处于于于于正正正正向向向向偏偏偏偏置置置置，还还还还是是是是反反反反向向向向偏偏偏偏置置置置。可可可可先先先先将将将将二二二二极极极极管管管管除除除除去去去去，分分分分别别别别计计计计算算算算管管管管子子子子两两两两极
19、极极极A A点点点点与与与与B B点点点点电电电电位位位位，计计计计算算算算结结结结果果果果如如如如是是是是V VA AVVB B，则则则则二二二二极极极极管管管管导导导导通通通通；如如如如果果果果V VA AVVBB，使使集集电电结结承承受受反反向向偏偏置置电电压压，这这样样可可使使三三极极管管具具有有正正常常的的电电流流放放大作用。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：通过实验，可以得出以下关系：通过实验，可以得出以下关系：通过实验，可以得出以下关系：(1)(1)I IE E=I=IC C+I+IB B，且且且且I IB B与与与与I IE E、I IC C相
20、比小得很多，因而相比小得很多，因而相比小得很多，因而相比小得很多，因而 I IE E I IC C。(2)I(2)IB B虽然较小，但它对虽然较小，但它对虽然较小，但它对虽然较小，但它对I IC C有控制作用，有控制作用，有控制作用，有控制作用，I IC C 随随随随I IB B的的的的改变而改变，两者之间有相应的比例关系，即：改变而改变，两者之间有相应的比例关系，即：改变而改变，两者之间有相应的比例关系，即：改变而改变，两者之间有相应的比例关系，即： 前前前前者者者者称称称称为为为为静静静静态态态态电电电电流流流流放放放放大大大大系系系系数数数数，后后后后者者者者称称称称为为为为动动动动态态
21、态态电电电电流流流流放放放放大大大大系系系系数数数数。它它它它们们们们反反反反映映映映了了了了三三三三极极极极管管管管的的的的电电电电流流流流放放放放大大大大能能能能力力力力，或者说电流或者说电流或者说电流或者说电流I IB B对对对对I IC C的控制能力。的控制能力。的控制能力。的控制能力。 三极管的特性曲线全面反映了三极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。三极管各种电路的重要依据。 (1)输入特性曲线输入特性曲线 输入特性是指在三极管的集、射极间所输入特性是指在三极管的集、射极间所加的电压加的电压UC
22、E为常数时，基、射极间电路为常数时，基、射极间电路UBE与基极电流与基极电流IB之间的关系。之间的关系。 当当当当U UCECE=0=0时，集电极和发射极时，集电极和发射极时，集电极和发射极时，集电极和发射极间短路，输入特性相当于由集间短路，输入特性相当于由集间短路，输入特性相当于由集间短路，输入特性相当于由集电结和发射结组成的两个二极电结和发射结组成的两个二极电结和发射结组成的两个二极电结和发射结组成的两个二极管并联的正向特性，这时的电管并联的正向特性，这时的电管并联的正向特性，这时的电管并联的正向特性，这时的电流流流流I IB B是两个二极管的正向电流是两个二极管的正向电流是两个二极管的正
23、向电流是两个二极管的正向电流之和。当之和。当之和。当之和。当U UCECE=1V=1V时，对应于相时，对应于相时，对应于相时，对应于相同的同的同的同的U UBEBE，基极电流基极电流基极电流基极电流I IB B减小，曲减小，曲减小，曲减小，曲线右移。当线右移。当线右移。当线右移。当U UCECE继续增大时，继续增大时，继续增大时，继续增大时，其输入特性曲线与其输入特性曲线与其输入特性曲线与其输入特性曲线与U UCECE=1V=1V时的时的时的时的输入特性曲线几乎重合。由图输入特性曲线几乎重合。由图输入特性曲线几乎重合。由图输入特性曲线几乎重合。由图可见，三极管的输入特性曲线可见，三极管的输入特
24、性曲线可见，三极管的输入特性曲线可见，三极管的输入特性曲线与二极管的伏安特性曲线很相与二极管的伏安特性曲线很相与二极管的伏安特性曲线很相与二极管的伏安特性曲线很相似，也存在一段死区。似，也存在一段死区。似，也存在一段死区。似，也存在一段死区。 (2)输出特性曲线输出特性曲线 输出特性曲线是指当三极管基极电流输出特性曲线是指当三极管基极电流IB为常数时，集电极电流为常数时，集电极电流IC与集、射极间与集、射极间电压电压UCE间的关系。下图为间的关系。下图为3DG6的输的输出特性曲线。可见出特性曲线。可见IB的取值不同，得到的取值不同，得到的输出特性曲线也不同，所以，三极管的输出特性曲线也不同，所
25、以，三极管的输出特性曲线是一族曲线。根据三极的输出特性曲线是一族曲线。根据三极管的工作状态不同，可将输出特性分为管的工作状态不同，可将输出特性分为以下三个区域：以下三个区域： 截止区、放大区、饱截止区、放大区、饱和区和区。 a)a)截止区截止区截止区截止区I IB B=0=0这条曲线以下的区域称为截这条曲线以下的区域称为截这条曲线以下的区域称为截这条曲线以下的区域称为截止区。在此区域内，止区。在此区域内，止区。在此区域内，止区。在此区域内，I IC CI ICECE00，集、射极间近似于断开状态。集、射极间近似于断开状态。集、射极间近似于断开状态。集、射极间近似于断开状态。为了使三极管可靠截止
26、，通常为了使三极管可靠截止，通常为了使三极管可靠截止，通常为了使三极管可靠截止，通常给发射结加上反向偏置电压，给发射结加上反向偏置电压，给发射结加上反向偏置电压，给发射结加上反向偏置电压，即即即即U UBEBE0V0V。b)b)放大区放大区放大区放大区放大区是特性曲线中近似平行放大区是特性曲线中近似平行放大区是特性曲线中近似平行放大区是特性曲线中近似平行于横轴的曲线族部分。当于横轴的曲线族部分。当于横轴的曲线族部分。当于横轴的曲线族部分。当U UCECE超超超超过一定数值后（过一定数值后（过一定数值后（过一定数值后（1 1V V左右），左右），左右），左右），I IC C呈现恒流特性。在放大区
27、，呈现恒流特性。在放大区，呈现恒流特性。在放大区，呈现恒流特性。在放大区，I IC C与与与与I IB B成正比，即成正比，即成正比，即成正比，即I IC C=I=IB B，随随随随I IB B增加增加增加增加I IC C也增加，三极管具有电流放大也增加，三极管具有电流放大也增加，三极管具有电流放大也增加，三极管具有电流放大作用。发射结为正向偏置，集作用。发射结为正向偏置，集作用。发射结为正向偏置，集作用。发射结为正向偏置，集电结为反向偏置。电结为反向偏置。电结为反向偏置。电结为反向偏置。c)c)饱和区饱和区饱和区饱和区靠靠靠靠近近近近输输输输出出出出特特特特性性性性纵纵纵纵坐坐坐坐标标标标轴
28、轴轴轴，曲曲曲曲线线线线上上上上升升升升部部部部分分分分所所所所对对对对应应应应的的的的区区区区域域域域称称称称为为为为饱饱饱饱和和和和区区区区。I IC C随随随随I IB B增增增增大大大大而而而而增增增增大大大大，U UCECE则则则则相相相相应应应应减减减减小小小小，当当当当I IC C增增增增加加加加到到到到接接接接近近近近于于于于V VCCCC/R/RC C时时时时，U UCECE近近近近似似似似为为为为零零零零，此此此此后后后后I IB B再再再再增增增增大大大大，I IC C不不不不再再再再增增增增大大大大，即即即即I IC C不不不不再再再再受受受受I IB B的的的的控控控
29、控制制制制，三三三三极极极极管管管管进进进进入入入入饱饱饱饱和和和和状状状状态态态态。此此此此时时时时的的的的I IC C称称称称为为为为集集集集电电电电极极极极饱饱饱饱和和和和电电电电流流流流，集集集集、射射射射极极极极电电电电压压压压称称称称为为为为集集集集、射射射射极极极极饱饱饱饱和和和和电电电电压压压压，集集集集、射射射射极极极极间间间间相相相相当当当当于于于于接接接接通通通通状状状状态态态态。在在在在饱饱饱饱和和和和状状状状态态态态下下下下，发发发发射射射射结结结结和和和和集集集集电电电电结结结结均均均均为正向偏置。为正向偏置。为正向偏置。为正向偏置。 【小结】【小结】1. 1.PN
30、PN结结结结具具具具有有有有单单单单向向向向导导导导电电电电性性性性，结结结结承承承承受受受受正正正正向向向向电电电电压压压压时时时时为为为为导导导导通通通通状状状状态；承受反向电压时为截止状态。态；承受反向电压时为截止状态。态；承受反向电压时为截止状态。态；承受反向电压时为截止状态。PNPN结结结结构构构构成成成成的的的的半半半半导导导导体体体体器器器器件件件件，其其其其正正正正向向向向特特特特性性性性很很很很相相相相似似似似，但但但但二二二二极极极极管管管管不不不不允允允允许许许许反反反反向向向向击击击击穿穿穿穿，而而而而稳稳稳稳压压压压管管管管则则则则可可可可以以以以工工工工作作作作在在
31、在在反反反反向向向向击击击击穿穿穿穿状态，且稳定电压状态，且稳定电压状态，且稳定电压状态，且稳定电压U UZ Z基本不变。基本不变。基本不变。基本不变。PNPN结结结结构构构构成成成成的的的的双双双双极极极极型型型型半半半半导导导导体体体体器器器器件件件件，分分分分NPNNPN和和和和PNPPNP两两两两种种种种，主主主主要要要要功功功功能能能能是是是是用用用用较较较较小小小小的的的的基基基基极极极极电电电电流流流流控控控控制制制制较较较较大大大大的的的的集集集集电电电电极极极极电电电电流流流流，控控控控制制制制能能能能力力力力用用用用电电电电流流流流放放放放大大大大系系系系数数数数 表表表表示示示示。三三三三极极极极管管管管有有有有输输输输入入入入特特特特性性性性和输出特性。和输出特性。和输出特性。和输出特性。PNPN结正向导通时发出可见光的特性制成的。结正向导通时发出可见光的特性制成的。结正向导通时发出可见光的特性制成的。结正向导通时发出可见光的特性制成的。
