DISPOSITIVI DI AMPLIFICAZIONE STRUMENTAZIONE BIOMEDICA Corsi di DIPLOMA UNIVERSITARIO • TECNICO DI LABORATORIO BIOMEDICO corso integrato di FISICA, STATISTICA, INFORMATICA STRUMENTAZIONE ELETTRONICA DI MISURA • TECNICO AUDIOMETRISTA corso integrato di FISICA, STATISTICA, INFORMATICA MISURE ELETTRICHE • TECNICO AUDIOPROTESISTA corso integrato di AUDIOPROTESI III° MISURE ELETTRICHE DISPOSITIVI DI AMPLIFICAZIONE AMPLIFICATORE D.S. ottobre 99 1

AMPLIFICATORE INTRODUZIONE 1 d.d.p. lavoro (meccanico) potenza STRUMENTAZIONE BIOMEDICA 1 INTRODUZIONE d.d.p. lavoro (meccanico) potenza se insufficiente necessario dispositivo che aumenta potenza di un segnale elettrico: AMPLIFICATORE potenza W = V • i (watt) componente attiva del circuito amplificazione V, i, V e i AMPLIFICATORE 2 D.S. ottobre 99

circuito di prelievo del segnale STRUMENTAZIONE BIOMEDICA INTRODUZIONE 2 circuito di prelievo del segnale RS RG resistenza ingresso resistenza interna generatore (sensore) RS DV = DVo RS + RG RG sensore RS fattore di attenuazione del segnale G DVo RS + RG RS V DV RS >> RG DV» DVo partitore di tensione RS » 100 RG AMPLIFICATORE 3 D.S. ottobre 99

DISPOSITIVI FONDAMENTALI DISPOSITIVI STRUMENTAZIONE BIOMEDICA DISPOSITIVI FONDAMENTALI DISPOSITIVI 1 tubi a vuoto (diodo, triodo) semiconduttori: germanio (Ge), silicio (Si) stato puro: dielettrici drogati (P, Ar, An) regione N (cariche negative) drogati (Al, Ga, In) regione P (cariche positive - lacune) giunzione P-N polarizzazione barriera di potenziale d.d.p. esterna: polarizzazione inversa diodi polarizzazione diretta transistors AMPLIFICATORE 4 D.S. ottobre 99

amplificazione in potenza: decibel (dB) STRUMENTAZIONE BIOMEDICA AMPLIFICAZIONE amplificazione in potenza: decibel (dB) Wout Win A (dB) = 10 Log Wout = 1000 Win A = 10 Log 1000 = 30 decibel aumento di ampiezza del segnale (guadagno) guadagno in tensione: Wout Win Vout R 2 Vout 2 Vin Vout Vin Vin R 2 = = A (dB) = 20 Log Vout = 1000 Vin A = 20 Log 1000 = 60 decibel AMPLIFICATORE 6 D.S. ottobre 99

RETROAZIONE retroazione 1 STRUMENTAZIONE BIOMEDICA RETROAZIONE 1 caratteristiche di lavoro dispositivo attivo modificabili da: variazioni di temperatura, di tensione della batteria guadagno dipendente solo da elementi passivi retroazione segnale uscita in parte portato in ingresso (tramite resistenza) • retroazione positiva: Vin e Vout in fase saturazione amplificatore • retroazione negativa: Vin e Vout in opposizione di fase stabilizzazione del segnale di uscita AMPLIFICATORE 7 D.S. ottobre 99

RETROAZIONE 2 x(t) = segnale in ingresso y(t) = segnale in uscita STRUMENTAZIONE BIOMEDICA RETROAZIONE 2 x(t) = segnale in ingresso y(t) = segnale in uscita f = frazione segnale uscita portata in ingresso y(t) x(t) • guadagno Ar = • guadagno dispositivo originale = A retroazione negativa: y(t) = A [ x(t) – f y(t)] A x(t) = y(t) [1 + Af] y(t) x(t) = A [1 + Af] = Ar Ar = 1 f per Af >> 1 (A >> 1) f resistenza di retroazione guadagno stabile AMPLIFICATORE 8 D.S. ottobre 99

AMPLIFICATORI OPERAZIONALI STRUMENTAZIONE BIOMEDICA AMPLIFICATORI OPERAZIONALI 1 amplificatore con retroazione circuiti integrati amplificatori operazionali unità complessa (molti transistors miniaturizzati) resistenza molto elevata resistenza molto bassa ingresso invertente – Vin Vout + ingresso non invertente • amplificazione di tensione molto elevata • tensione d'ingresso Vdiff molto bassa AMPLIFICATORE 9 D.S. ottobre 99

AMPLIFICATORI OPERAZIONALI STRUMENTAZIONE BIOMEDICA AMPLIFICATORI OPERAZIONALI 2 amplificatore invertente Vin Vout Vout Rf I = I = – = – Rin Rf Vin Rin Rf guadagno AV = – Rin segnale in uscita invertito Rf Rin Rin < Rf amplificazione Vin – Rin > Rf attenuazione Vout + AMPLIFICATORE 10 D.S. ottobre 99

] AMPLIFICATORI OPERAZIONALI AMPLIFICATORI OPERAZIONALI 3 5 STRUMENTAZIONE BIOMEDICA AMPLIFICATORI OPERAZIONALI AMPLIFICATORI OPERAZIONALI 3 5 amplificatore sommatore di segnali Rf R1 Vin1 – R2 Vin2 Vout + Rf R1 Vin1 Rf R2 Vin2 Vout = – [ ] + Rf R1 = R2 = Rin Vout = – (Vin1 + Vin2 ) Rin Rf guadagno AV = – Rin AMPLIFICATORE 13 D.S. ottobre 99

RISPOSTA AMPLIFICATORE STRUMENTAZIONE BIOMEDICA 1 RISPOSTA AMPLIFICATORE • risposta in ampiezza • intervallo operatività ampiezza (segnale) in ingresso ampiezza (segnale) in uscita limite inferiore: rapporto segnale/rumore limite superiore: distorsione segnale in uscita Vout zona di saturazione zona lineare Vin o AMPLIFICATORE 14 D.S. ottobre 99

RISPOSTA AMPLIFICATORE STRUMENTAZIONE BIOMEDICA 2 RISPOSTA AMPLIFICATORE • risposta in ampiezza intervallo (range) dinamico R (deciBel) : massimo segnale amplificabile (senza saturazione) R = minimo segnale distinguibile dal rumore di fondo Vout zona di saturazione range dinamico zona lineare Vin o AMPLIFICATORE 15 D.S. ottobre 99

RISPOSTA AMPLIFICATORE STRUMENTAZIONE BIOMEDICA 4 RISPOSTA AMPLIFICATORE • risposta in frequenza • riproduzione ampiezze armoniche componenti il segnale • capacità parassite impedenza ZC • capacità (eliminazione c.c.) attenuazione e sfasamento ampiezze armoniche Vout banda passante 1 1 2 frequenza n o n taglio inferiore n taglio superiore AMPLIFICATORE 17 D.S. ottobre 99

RISPOSTA AMPLIFICATORE STRUMENTAZIONE BIOMEDICA 5 RISPOSTA AMPLIFICATORE • risposta in frequenza banda passante sufficiente a prelevare tutta l'informazione diagnostica eliminazione rumore bassa e alta frequenza alterazione banda passante per eliminare rumore filtri Vout banda passante 1 1 2 frequenza n o n taglio inferiore n taglio superiore AMPLIFICATORE 18 D.S. ottobre 99