1、醫學電子儀器原理與技術生物醫學工程研究所本課程內容醫學電子儀器與基礎電路生理參數測量儀器醫學超聲儀器臨床檢測分析儀器生理功能輔助儀器醫用光學技術與儀器治療用電子儀器放射治療腫瘤裝置醫用儀器干擾的抑制和安全用電第一章 醫學電子儀器與基礎電子電路醫學電子儀器的特點醫學電子儀器的分類半導體器件的基礎知識 生物醫學放大電路 電子振蕩電路 直流穩壓電路 數字邏輯電路 1.1 醫學電子儀器的特點高精度、高標準、高質量 多門類、多品種、多規格 新技術、新材料、新原理應用迅速1.2 醫學電子儀器的分類生物電檢測儀器及非電生理參數檢測儀器生物電檢測儀器 （心電、肌電等）非電生理參數檢測儀器 （體溫、血壓等）監護

2、儀器（床旁、中心監護、手術監護） 臨床檢驗分析儀器 （血氣、生化分析儀）生理功能輔助儀器 （呼吸機、麻醉機）醫用超聲儀器 醫學電子儀器的分類醫用X線診斷裝置X線計算機斷層成像系統(XCT) 磁共振成像系統 (MRI) 核醫學診斷儀器及設備 （ECT、PET）放射治療裝置 （鈷60、X-刀、-刀）醫用光學儀器 （醫用內窺鏡等）治療與康復儀器 1.3 半導體器件的基礎知識 常溫下的自然界中的物質按其導電性能可分為以下三類。導體：導電性能良好，如銅、銀、鋁等金屬材料。絕緣體：幾乎不導電，如玻璃、橡膠、陶瓷等材料。半導體：其導電性能介于導體和絕緣體之間，如硅、鍺、砷化物和硫化物等材料。 半導體導電能力

3、在不同條件下差異很大。 1.熱敏性 環境溫度對半導體的導電能力影響很大。對純凈半導體來說，溫度越高，導電能力就越強?；谶@種特性，可制成各種溫度敏感元件，如熱敏電阻等。 2.光敏性 一些半導體材料受到光照時，導電能力隨之增強。利用這種特性可以制成各種光敏器件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光控晶閘管和光電池等。 3.摻入微量雜質對半導體導電性能的影響 如果在純凈半導體中摻入某些微量雜質，其導電能力將大大增強。而且摻入的雜質元素不同、濃度不同，半導體的導電性能可以人為地控制。摻入雜質的半導體稱為雜質半導體。根據摻入雜質的不同，雜質半導體可分為N型半導體和P型半導體兩種。 N型、P型半導體及

4、PN結 在半導體中摻入少量5價元素磷（或砷、銻），可使半導體內的自由電子數量劇增。在這種半導體中自由電子占絕大多數，故稱為多數載流子（多子），而空穴則為少數載流子（少子）。它主要依靠帶負電的電子導電，所以叫電子型半導體，或N（Negative）型半導體。 在本征半導體中摻入少量3價元素硼（或鋁、鎵、銦），可使空穴的數量劇增。在這種半導體中，空穴是多數載流子，自由電子為少數載流子，它主要依靠帶正電的空穴導電，所以叫空穴型半導體，或P（Positive）型半導體。 單一的N型或P型半導體只能起電阻作用。但若將這兩種半導體以某種方式結合在一起，構成PN結，就可使半導體的導電性能受到控制，這樣才能制成

5、各種具有不同特性的半導體器件。 利用特殊的摻雜工藝，可使一塊半導體的一部分成為P型半導體（P區），而另一部分成為N型半導體（N區），則在兩者交界處形成一個具有特殊性質的區域，稱之為PN結。 PN結的形成過程中同時存在著多子的擴散運動和少子的漂移運動。當PN結處于動態平衡狀態時，多子的擴散電流與少子的漂移電流大小相等且方向相反，通過PN結的電流為零，即PN結處于不導電狀態。 但如果在PN結兩端加上電壓，就會打破原來擴散和漂移的動態平衡狀態，使PN結呈現單向導電的性能。單向導電性是PN結的基本特性。 （a）加正向電壓（b）加反向電壓圖1.1 PN結外加電壓 當PN結外加正向電壓時，PN結處于低電阻

6、的導通狀態，正向電流較大；當PN結外加反向電壓時，PN結處于高電阻的截止狀態，反向電流很小。這就是PN結的單向導電性。但當加于PN結的反向電壓增大到一定數值時，反向電流可突然急劇增大，這種現象稱為PN結的反向擊穿。對應于電流開始劇增時的電壓稱為反向擊穿電壓。發生反向擊穿時，只要反向電流的熱效應不破壞PN結，當反向電壓下降到擊穿電壓以下時，PN結的性能仍可恢復。半導體二極管 半導體二極管實際上就是一個PN結，由一個PN結加上接觸電極、引線和管殼構成的。它的用途很廣，如用作整流、高頻檢波和數字電路中的開關元件等。為適用于各種不同的用途，制成了各種類型的半導體二極管。但其工作原理都是基于PN結的單向

7、導電性。 二極管的電路符號為； 1. 二極管的伏安特性 (1)正向特性 死區電壓 正向導通壓降UF 正向導通區(2)反向特性 反向截止區 反向擊穿 反向擊穿電壓 圖1.2 二極管伏安特性曲線2. 二極管的應用 二極管的應用范圍很廣，利用其單向導電性，可組成整流、檢波、限幅、鉗位等電路。還可用它構成其他元件或電路的保護電路，以及在脈沖與數字電路中作為開關元件等。在作電路分析時，一般可將二極管視為理想元件，即認為其正向電阻為零，正向導通時為短路特性，正向壓降忽略不計。反向電阻為無窮大，反向截止時為開路特性，反向漏電流忽略不計。 二極管導通與截止的判斷 要判斷二極管導通與截止，主要看二極管是處于正向

8、偏置，還是反向偏置?？上葘⒍O管除去，分別計算管子兩極A點與B點電位，計算結果如是VAVB，則二極管導通；如果VAVBB，使集電結承受反向偏置電壓，這樣可使三極管具有正常的電流放大作用。圖1.6 晶體管電流放大實驗電路通過實驗，可以得出以下關系：(1)IE=IC+IB，且IB與IE、IC相比小得很多，因而 IE IC。(2)IB雖然較小，但它對IC有控制作用，IC 隨IB的改變而改變，兩者之間有相應的比例關系，即： 前者稱為靜態電流放大系數，后者稱為動態電流放大系數。它們反映了三極管的電流放大能力，或者說電流IB對IC的控制能力。 3.特性曲線 三極管的特性曲線全面反映了三極管各極電壓與電流之

9、間的關系，是分析三極管各種電路的重要依據。 (1)輸入特性曲線 輸入特性是指在三極管的集、射極間所加的電壓UCE為常數時，基、射極間電路UBE與基極電流IB之間的關系。 當UCE=0時，集電極和發射極間短路，輸入特性相當于由集電結和發射結組成的兩個二極管并聯的正向特性，這時的電流IB是兩個二極管的正向電流之和。當UCE=1V時，對應于相同的UBE，基極電流IB減小，曲線右移。當UCE繼續增大時，其輸入特性曲線與UCE=1V時的輸入特性曲線幾乎重合。由圖可見，三極管的輸入特性曲線與二極管的伏安特性曲線很相似，也存在一段死區。 (2)輸出特性曲線 輸出特性曲線是指當三極管基極電流IB為常數時，集電

10、極電流IC與集、射極間電壓UCE間的關系。下圖為3DG6的輸出特性曲線?？梢奍B的取值不同，得到的輸出特性曲線也不同，所以，三極管的輸出特性曲線是一族曲線。根據三極管的工作狀態不同，可將輸出特性分為以下三個區域： 截止區、放大區、飽和區。 a)截止區IB=0這條曲線以下的區域稱為截止區。在此區域內，ICICE0，集、射極間近似于斷開狀態。為了使三極管可靠截止，通常給發射結加上反向偏置電壓，即UBE0V。b)放大區放大區是特性曲線中近似平行于橫軸的曲線族部分。當UCE超過一定數值后（1V左右），IC呈現恒流特性。在放大區，IC與IB成正比，即IC=IB，隨IB增加IC也增加，三極管具有電流放大作用。發射結為正向偏置，集電結為反向偏置。c)飽和區靠近輸出特性縱坐標軸，曲線上升部分所對應的區域稱為飽和區。IC隨IB增大而增大，UCE則相應減小，當IC增加到接近于VCC/RC時，UCE近似為零，此后IB再增大，IC不再增大，即IC不再受IB的控制，三極管進入飽和狀態。此時的IC稱為集電極飽和電流，集、射極電壓稱為集、射極飽和電壓，集、射極間相當于接通狀態。在飽和狀態下，發射結和集電結均為正向偏置。 【小結】1.PN結具有單向導電性，結承受正向電壓時為導通狀態；承受反向電壓時為截止狀態。 2.半導體二極管和穩壓管都是由一個PN結構成的半導