DE1762360B2 - Mehrstufiger verstaerker mit uebersteuerungsschutz insbesonde re fuer elektrobiologische anwendungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Verstärker mit Übersteuerungsschutz, insbesondere für elektrobiologische Anwendungen, bestehend aus einer ersten Verstärkerstufe mit mindestens einem Eingang und einem Ausgang, einer zweiten Verstärkerstufe mit mindestens einem Eingang und einem Ausgang und mit Widerstands/Kondensator-Kopplung zwischen dem (den) Ausgang (Ausgängen) der ersten Stufe und dem (den) Eingang (Eingängen) der zweiten Stufe, wobei der Kondensator in Serie zwischen dem jeweiligen Ausgang der ersten und dem jeweiligen Eingang der zweiten Stufe, der Widerstand zwischen dem Eingang der zweiten Stufe und Masse liegen.

Derartige ÜC-gekoppelte mehrstufige Verstärker sind bekannt. Weiterhin ist es auch bekannt, Verstärker, seien sie nun ein- oder mehrstufig, gleichstrom- oder i?C-gekoppelt, am Eingang (oder auch am Ausgang) gegen Übersteuerung zu schützen, um damit einer Zerstörung, vornehmlich der aktiven Bauelemente, durch Überspannungen oder thermische Überlastung vorzubeugen. Gewöhnlich geschieht dies durch Begrenzung der Eingangsspannung, wofür gemäß »NTZ«, 1961, S. 606, eine oder mehrere Dioden Anwendung finden können.

Der Schutz eines mehrstufigen Verstärkers gegen Zerstörung durch Übersteuerung ist jedoch nicht Ziel der vorliegenden Erfindung.

Die Erfindung geht vielmehr von der Tatsache aus, daß die Einschwingzeit von 7?C-gekoppelten Verstärkern von der Zeitkonstante der .RC-Glieder abhängt und daß diese Zeitkonstanten bei Verstärkern für elektrobiologische Messungen, die eine sehr niedrige untere Grenzfrequenz haben müssen, sehr hoch liegen, was zur Folge hat, daß bei einer in bezug auf die kleinen zu messenden Spannungen von wenigen Mikrovolt großen Potentialverschiebung am Verstärkereingang dieser ohne besondere Schutzmaßnahmen in die Übersteuerung gelangt und auf Grund der hohen Zeitkonstanten bis zu mehreren Sekunden nach dem Verschwinden der Potentialstörung im übersteuerten Zustand bleibt, so daß er während dieser Zeit keine Meßergebnisse an den am Ausgang angeschlossenen Schreiber oder das Oszilloskop liefert. Dieser unbefriedigende Zustand kann sowohl beim Anschluß des Verstärkers an das Untersuchungsobjekt, etwa einen während einer Behandlung oder Operation zu überwachenden Patienten, als auch bei Änderung des Ruhepotentials dieses Untersuchungsobjektes, etwa bei Berührung mit einem metallischen Gegenstand oder bei Anwendung eines Herzschrittmachers oder eines Defibrillationsschocks eintreten.

Da derartige Verstärker beispielsweise zur Gewinnung eines Elektrokardiogramms oder eines Elektroenzephalogramms eingesetzt werden, liegt es auf der Hand, daß solche die Überwachung des Untersusuchungsobjekts bis zu einigen zehn Sekunden ausschließenden Übersteuerungen außerordentlich nachteilig sind. Es wurden deshalb auch schon Druckkontakte oder Relais verwendet, die es gestatten, bei Betätigung alle ÄC-Glieder zwischen den Verstärkerstufen kurzzuschließen und damit die Zeitkonsianten praktisch Null zu machen. Nachteilig ist daran, daß eine Feststellung eines etwaigen Übersteuerungszustandes nur dann möglich ist, wenn der Verstärker ständig überwacht wird und daß zur Beseitigung dieses Zustandes ein Eingriff von Hand notwendig ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verstärker der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine Übersteuerung selbsttätig feststellt und zu deren Beseitigung die Zeitkonstanten seiner ÄC-Glieder augenblicklich verringert.
Diese Aufgabe ist bei dem hier vorgeschlagenen Verstärker erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zu jedem der Widerstände ein Feldeffekttransistor mit seiner source-drain-Strecke parallel liegt und sein Steuereingang mit dem Ausgang eines Steuerverstärkers verbunden ist, der wenigstens einen mit einem Ausgang der zweiten Stufe verbundenen Eingang besitzt, und im Normalbetrieb des mehrstufigen Verstärkers eine den Feldeffekttransistor sperrende Vorspannung an dessen Steuereingang liefert, während er bei Übersteuerung des mehrstufigen Verstärkers in positiver oder negativer Richtung von einem einstellbaren Schwellwert an eine den Feldeffekttransistor in den niederohmigen Zustand durchschaltende Steuerspannung an dessen Steuereingang abgibt.

Hierdurch wird erreicht, daß der Ausfall der von dem Verstärker gelieferten Meßergebnisse auch bei sehr großen Potentialverschiebungen am Eingang auf den Bruchteil einer Sekunde begrenzt ist, ohne daß hierzu irgendein Eingriff von Hand notwendig wäre, so daß wichtige Untersuchungsgrößen, beispielsweise das Elektrokardiogramm eines Patienten, selbsttätig und praktisch unterbrechungsfrei geliefert werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verstärkers zeichnet sich dadurch aus, daß der Steuerverstärker ein Gleichspannungsverstärker mit einer für Übersteuerungsspannungen beider Polaritäten ein Signal einer einzigen bestimmten Polarität liefernden Eingangsstufe und einer Ausgangsstufe ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Voreinstellung der höchstzulässigen Eingangsspannungen des Verstärkers dadurch möglich, daß die Ausgangsstufe des Gleichspannungsverstärkers eine sperrende Vorspannung einstellbarer Höhe an den Feldeffekttransistor liefert und die Höhe dieser Vorspannung den Schwellwert für das Ansprechen auf Ubersteuerungsspannungen bestimmt. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß der Steuerverstärker an seinem Ausgang ein /?C-Integrierglied enthält, dessen Ausgang mit dem Steuereingang des Feldeffekttransistors verbunden ist und dessen Zeitkonstante kleiner als die der /?C-Kopplungsglieder zwischen den Verstärkerstufen ist.

In der Zeichnung ist der Verstärker nach der Erfindung an Hand eines Schaltbildes in schematischer Vereinfachung erläutert.

Der Verstärker dient der Untersuchung elektrobiologischer, beispielsweise elektrokardischer Erscheinungen, die von dem Untersuchungsobjekt Su über die Elektroden E₁, E₂, E₃, E₁ abgenommen werden. Der mehrstufige Verstärker weist zunächst einen Vorverstärker P mit einer geringen Spannungsverstärkung von beispielsweise 7 auf. Dieser Vorverstärker ist mit einem Überspannungsschutz und einem Ableitschalter ausgestattet. Er besitzt eine sehr hohe Eingangsimpedanz von mehr als 1 ΜΩ, eine große Gleichtaktunterdrückung, d. h. eine große Störsignaldämpfung von mehr als 10 000 und einen Dynamikumfang von mehr als 400 mV und ist gegen am Eingang anliegende Hochspannungen, wie sie z. B. bei einem Defibrillationsschock, bei dem die anliegende Spannung 2000 Volt überschreiten kann, geschützt.

Weiterhin enthält der Verstärker eine Verstärker-

stufe A₁, vorzugsweise eine integrierte Schaltung C₁-, die eine Spannungsverstärkung von beispielsweise 700 gewährleistet, eine Schaltung C_c zur Vertikaljustierung der Grundlinie eines Schreibers und eine Verstärkungsregelung ohne Verschiebung der Grundlinie.

Weiterhin umfaßt der Verstärker noch einen Gleichstromverstärker ^₂, dessen Bedeutung im folgenden noch erläutert wird, ein Aufzeichnungsgerät E, das ein Oszilloskop oder ein Schreiber sein kann, und eine Verbindungsschaltung L zwischen dem Vorverstärker P und der Verstärkerstufe A₁.

Durch die Verbindungsschaltung L werden folgende Funktionen erfüllt:

die Trennung zwischen den beiden Verstärkern P und A₁, von am Eingang angelegten Gleichspannungen, die sich beispielsweise durch die Vorspannung des Systems Elektroden — Objekt ergeben und die einige 100 Millivolt für ein elektrobiologisches Signal von 1 mV im Fall eines Elektrokardiogramms oder auch von einigen 10 μV im Fall eines Elektroenzephalogramms annehmen können,
die Bildung der ÄC-Zeitkonstanten, die für die Übertragung der untersuchten elektrobiologischen Erscheinung notwendig ist und in der Größenordnung von 2 Sekunden für ein Elektrokardiogramm und 0,7 Sekunden für ein Elektroenzephalogramm liegt,
den augenblicklichen und selbsttätigen Kurzschluß dieser Zeitkonstanten, wenn der Pegel des Eingangssignals eine gewisse Schwelle beispielsweise beim Ansetzen der Elektroden, beim Wechsel der Ableitung, bei einer Defibrillation oder einem elektrischen Antreiben des Herzens durch einen Schrittmacher überschreitet,
das schnelle Wiedereinschalten und Abgleichen des Verstärkers nach dem Verschwinden des Störsignals.

In der in der Zeichnung dargestellten beispielsweise gewählten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verstärkers werden die Zeitkonstanten der Verbindungsschaltung L durch geringe Kapazitäten C₁, C₂, wie Mylar-Kondensatoren von jeweils 0,22 μΡ, und durch große Widerstände R₁, R₂ von jeweils 10 ΜΩ gebildet. Diese Art, die die Verwendung von elektrochemischen Kondensatoren großer Kapazität vermeidet, ist möglich, da der Eingang der Verstärkerstufe A₁ mit Feldeffekttransistoren ausgerüstet ist, die eine Impedanz von mehr als 10⁹ Ohm aufweisen.

Man erhält so eine Verbindung zwischen dem Vorverstärker P und der Verstärkerstufe A₁ mit einer Zeitkonstanten, die gleich oder größer als 2 Sekunden ist, indem man geringe Werte der Kapazitäten C₁, C₂ verwendet, die sich im Fall der Sperrung des Verstärkers A₁ leicht entladen. Dazu genügt es, daß die Widerstände ,R₁ und R₂ von 10 ΜΩ durch viel kleinere Widerstände mit einem Wert von beispielsweise 100 Ω im Nebenschluß überbrückt werden. Dies wird in dem erfindungsgemäßen Verstärker durch die Schalt-Feldeffekttransistoren Q₄ und Q₅ gewährleistet.

Tatsächlich sind die Gitterelektroden 3 und 4 der in den Schaltungspunkten 1 und 2 parallel zu den Widerständen R und R₀ geschalteten Transistoren negativ für den Kanal N unterhalb der Einschnürspannung (Pinch-off-voltage) vorgespannt. Die Transistoren weisen einen Anoden-Kathoden-Widerstand (drain-source) auf, der größer als 1000 ΜΩ ist und praktisch nicht die Zeitkonstanten der Verbindung (R₁ = 10 ΜΩ und R₂ = 10 ΜΩ) für normalen Betrieb des Verstärkers beeinflußt. Im Fall einer Störung jedoch, die beispielsweise auf das Unterbrechen der Elektrodenlitzen, einen Wechsel der Ableitung, einen Defibrillations-Schock, einen Antrieb des Herzens durch einen Schrittmacher usw., zurückzuführen

ίο ist, stellt sich am Ausgang des Verstärkers ein bedeutendes Nichtgleichgewicht ein und das Potential der Punkte 5 oder 6, je nach der Polarität des Störsignals am Eingang, erhöht sich oberhalb einer Schwelle, die durch den regelbaren Widerstand R_s bestimmt ist, der in dem Gleichstromverstärker/4₂ enthalten ist und den Verstärkungsgrad dieses Verstärkers regelt. In dem Gleichstromverstärker A₂ bilden die Dioden D₁, D₂ und der Widerstand R₃ eine logische ODER-Schaltung, die den erfmdungsgemäßen Verstärker in den beiden Fällen schaltet, wenn das Potential des Punktes 5 oder des Punktes 6 zu groß wird, was positiven oder negativen Störungen am Eingang der Verstärkerkette entspricht.

Der Transistor Q₁ und der Widerstand R₄ bilden eine Impedanzanpassung, die den Ausgang des Verstärkers A₁ von der Verbindungsschaltung trennt.

Die Transistoren Q₂ (pnp), Q₃ (npn) und die Widerstände R_&, R₆, R₁, R₆ sind die wesentlichen Teile des Gleichstromverstärkers A₂ mit durch den Widerstand R₈ regelbarem Verstärkungsgrad. Durch diesen Verstärker werden die notwendigen Vorspannungen gegeben, um die Gitterelektroden 3 und 4 der Feldeffekttransistoren Q_i und Q₅ zu steuern. Das Potential der Gitterelektroden 3 und 4 wächst beispielsweise von — 7 V bis OV und die beiden Transistoren Q₄ und Q₅ werden leitend, und ihre Anoden-(D)-Kathoden-(S)-Widerstände fallen auf etwa 100 Ω und überbrücken so die Widerstände ^₁ und R₂.

Daraus ergibt sich, daß die Zeitkonstante, beispielsweise durch 10⁵ geteilt, von 2 Sekunden auf 20 \istc übergeht. Diese auf die Schaltungen C₁, Q₄ und C₂, Q₅, wobei Q₄ und Q₅ leitend sind, zurückzuführende sehr kurze Zeitkonstante besteht während einer Periode, die durch das durch die Kapazität C₃ und den regelbaren Widerstand R₉ gebildete Integrierglied des Verstärkers A₉ bestimmt ist. Diese Periode kann beispielsweise zwischen 10 und 1000 μβες eingestellt werden. Wenn im Lauf dieser Periode die Störung am Eingang des Vorverstärkers verschwindet, werden die Gitterelektroden 3 und 4 wieder negativ und die Transistoren Q₄ und Q₅ gesperrt, und der Betrieb der Verstärkerkette wird wieder normal. Wenn die Störung nicht verschwunden ist, bleibt die Verbindungsschaltung im Kurzschluß. Daraus ergibt sich, daß die Sperrzeit der Verstärkeranordnung auf den Bruchteil einer Sekunde statt auf mehrere Sekunden, wie bei bisher verwendeten Vorrichtungen, verringert wird.

Die Schaltung des erfindungsgemäßen Verstärkers kann außer bei biologischen Verstärkern allgemein dort verwendet werden, wo medizinische Sicherheit und die augenblickliche Sichtbarmachung von elektrobiologischen Erscheinungen erforderlich sind.

Im Fall eines Verstärkers mit hohem Verstärkungsgrad, beispielsweise einem elektroenzephalographischen mit einem Verstärkungsgrad von 100 000 und mehr, kann man in der Verstärkungskette meh-

rere jRC-Verbindungen zwischen den verschiedenen Stufen verwenden, die erfindungsgemäß ausgestaltet sind.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Mehrstufiger Verstärker mit Übersteuerungsschutz, insbesondere für elektrobiologische Anwendungen, bestehend aus einer ersten Verstärkerstufe mit mindestens einem Eingang und einem Ausgang, einer zweiten Verstärkerstufe mit mindestens einem Eingang und einem Ausgang und mit Widerstands-Kondensator-Kopplung zwischen dem (den) Ausgang (Ausgängen) der ersten Stufe und dem (den) Eingang (Eingangen) der zweiten Stufe, wobei der Kondensator in Serie zwischen dem jeweiligen Ausgang der ersten und dem jeweiligen Eingang der zweiten Stufe, der Widerstand zwischen dem Eingang der zweiten Stufe und Masse liegen, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem der Widerstände (Rl, R2) ein Feldeffekttransistor (Q4, Q S) mit seiner source-drain-Strecke parallel liegt und sein Steuereingang (G) mit dem Ausgang eines Steuerverstärkers (A 2) verbunden ist, der wenigstens einen mit einem Ausgang (5, 6) der zweiten Stufe (Ci) verbundenen Eingang besitzt, und im Normalbetrieb des mehrstufigen Verstärkers eine den Feldeffekttransistor (Q 4, QS) sperrende Vorspannung an dessen Steuereingang (G) liefert, während er bei Übersteuerung des mehrstufigen Verstärkers in positiver oder negativer Richtung von einem einstellbaren Schwellwert an eine den Feldeffekttransistor in den niederohmigen Zustand durchschaltende Steuerspannung an dessen Steuereingang (G) abgibt.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerverstärker (A2) ein Gleichspannungsverstärker mit einer für Übersteuerungsspannungen beider Polaritäten ein Signal einer einzigen bestimmten Polarität liefernden Eingangsstufe (D 1, D 2, R 3) und einer Ausgangsstufe (RT, Q3,RS) ist.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstufe (R7, β 3, RS) des Gleichspannungsverstärkers (A 2) eine sperrende Vorspannung einstellbarer Höhe an den Feldeffekttransistor (Q 4, Q 5) liefert und die Höhe dieser Vorspannung den Schwellwert für das Ansprechen auf Übersteuerungsspannungen bestimmt.

4. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerverstärker (A2) an seinem Ausgang ein ÄC-Integrierglied (R9, C3) enthält, dessen Ausgang mit dem Steuereingang (G) des Feldeffekttransistors (Q 4, QS) verbunden ist und dessen Zeitkonstante kleiner als die der /?C-Kopplungsglieder (Rl, Cl; R2, C2) zwischen den Verstärkerstufen ist.

5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Elemente des jRC-Integriergliedes (R9, C3) einstellbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen