醫學電子儀器原理與技術生物醫學工程研究所醫學電子儀器原理與技術專家講座第1頁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效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抑制和安全用電醫學電子儀器原理與技術專家講座第2頁第一章醫學電子儀器與基礎電子電路醫學電子儀器特點醫學電子儀器分類半導體器件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醫學電子儀器原理與技術專家講座第3頁1.1醫學電子儀器特點高精度、高標準、高質量

多門類、多品種、多規格

新技術、新材料、新原理應用快速醫學電子儀器原理與技術專家講座第4頁1.2醫學電子儀器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）生理功效輔助儀器（呼吸機、麻醉機）醫用超聲儀器

醫學電子儀器原理與技術專家講座第5頁醫學電子儀器分類醫用X線診療裝置X線計算機斷層成像系統(XCT)磁共振成像系統(MRI)核醫學診療儀器及設備（ECT、PET）放射治療裝置（鈷60、X-刀、γ-刀）醫用光學儀器（醫用內窺鏡等）治療與康復儀器醫學電子儀器原理與技術專家講座第6頁1.3半導體器件基礎知識常溫下自然界中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。醫學電子儀器原理與技術專家講座第7頁半導體導電能力在不一樣條件下差異很大。1.熱敏性環境溫度對半導體導電能力影響很大。對純凈半導體來說，溫度越高，導電能力就越強?；谶@種特征，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。利用這種特征能夠制成各種光敏器件，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。醫學電子儀器原理與技術專家講座第8頁3.摻入微量雜質對半導體導電性能影響假如在純凈半導體中摻入一些微量雜質，其導電能力將大大增強。而且摻入雜質元素不一樣、濃度不一樣，半導體導電性能能夠人為地控制。摻入雜質半導體稱為雜質半導體。依據摻入雜質不一樣，雜質半導體可分為N型半導體和P型半導體兩種。醫學電子儀器原理與技術專家講座第9頁N型、P型半導體及PN結

在半導體中摻入少許5價元素磷（或砷、銻），可使半導體內自由電子數量劇增。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）。它主要依靠帶負電電子導電，所以叫電子型半導體，或N（Negative）型半導體。醫學電子儀器原理與技術專家講座第10頁

在本征半導體中摻入少許3價元素硼（或鋁、鎵、銦），可使空穴數量劇增。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，它主要依靠帶正電空穴導電，所以叫空穴型半導體，或P（Positive）型半導體。

醫學電子儀器原理與技術專家講座第11頁單一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，組成PN結，就可使半導體導電性能受到控制，這么才能制成各種含有不一樣特征半導體器件。利用特殊摻雜工藝，可使一塊半導體一部分成為P型半導體（P區），而另一部分成為N型半導體（N區），則在二者交界處形成一個含有特殊性質區域，稱之為PN結。醫學電子儀器原理與技術專家講座第12頁

PN結形成過程中同時存在著多子擴散運動和少子漂移運動。當PN結處于動態平衡狀態時，多子擴散電流與少子漂移電流大小相等且方向相反，經過PN結電流為零，即PN結處于不導電狀態。但假如在PN結兩端加上電壓，就會打破原來擴散和漂移動態平衡狀態，使PN結展現單向導電性能。單向導電性是PN結基本特征。

醫學電子儀器原理與技術專家講座第13頁（a）加正向電壓（b）加反向電壓圖1.1PN結外加電壓醫學電子儀器原理與技術專家講座第14頁

當PN結外加正向電壓時，PN結處于低電阻導通狀態，正向電流較大；當PN結外加反向電壓時，PN結處于高電阻截止狀態，反向電流很小。這就是PN結單向導電性。但當加于PN結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結反向擊穿。對應于電流開始劇增時電壓稱為反向擊穿電壓。發生反向擊穿時，只要反向電流熱效應不破壞PN結，當反向電壓下降到擊穿電壓以下時，PN結性能仍可恢復。醫學電子儀器原理與技術專家講座第15頁半導體二極管

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、引線和管殼組成。它用途很廣，如用作整流、高頻檢波和數字電路中開關元件等。為適合用于各種不一樣用途，制成了各種類型半導體二極管。但其工作原理都是基于PN結單向導電性。二極管電路符號為；醫學電子儀器原理與技術專家講座第16頁1.二極管伏安特征

(1)正向特征

死區電壓正向導通壓降UF

正向導通區(2)反向特征

反向截止區反向擊穿反向擊穿電壓圖1.2二極管伏安特征曲線醫學電子儀器原理與技術專家講座第17頁2.二極管應用

二極管應用范圍很廣，利用其單向導電性，可組成整流、檢波、限幅、鉗位等電路。還可用它組成其它元件或電路保護電路，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，普通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征，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征，反向漏電流忽略不計。醫學電子儀器原理與技術專家講座第18頁二極管導通與截止判斷

要判斷二極管導通與截止，主要看二極管是處于正向偏置，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VA>VB，則二極管導通；假如VA<VB，則二極管截止。圖中二極管2AP1截止。醫學電子儀器原理與技術專家講座第19頁3.特殊二極管

(1)穩壓二極管穩壓管伏安特征和普通二極管伏安特征基本相同。只是穩壓管反向擊穿區特征曲線很陡，當反向電壓到達擊穿電壓時，反向電流突然增大，穩壓管被反向擊穿。在此狀態下，反向電流在很大范圍改變時，管子兩端電壓基本保持不變，這就是穩壓管穩壓特征。它主要作用是穩壓和限幅。醫學電子儀器原理與技術專家講座第20頁(2)光電器件在信號傳輸和存放等步驟中，光電子系統應用日趨廣泛。它突出優點是：抗干擾能力強、傳送信息大、傳輸損耗小、工作可靠。光信號與電信號接口，需要一些特殊光電器件，如發光二極管、光敏二極管及光電耦合器等。醫學電子儀器原理與技術專家講座第21頁

發光二極管

是一個將電能直接轉換成光能固體器件，簡稱LED，和普通二極管相同，也是由一個PN結組成。常見LED有紅、綠、黃等顏色。LEDPN結封裝在透明塑料管殼內，外形有方形、矩形和圓形等。發光二極管驅動電壓低、工作電流小，含有很強抗振動和抗沖擊能力、體積小、可靠性高、耗電省和壽命長等優點，廣泛用于信號指示和傳遞中。醫學電子儀器原理與技術專家講座第22頁

光敏二極管又稱光電二極管。其管殼上有透明聚光窗，因為PN結光敏特征，當有光線照射時，光敏二極管在一定反向偏壓范圍內，其反向電流將隨光射強度增加而線性地增加，這時光敏二極管等效于一個恒流源。當無光照時，光敏二極管伏安特征與普通二極管一樣。醫學電子儀器原理與技術專家講座第23頁光電耦合器把發光器件和光敏器件組裝在一起，使用時將電信號送入輸入測發光器件，將電信號轉換成光信號，由輸出側光敏器件（又稱受光器件）接收并再轉換成電信號。因為輸出與輸入之間沒有直接電氣聯絡，信號傳輸是經過光耦合，所以也稱其為光電隔離器。光電耦合器特點：發光器件與受光器件互不接觸，絕緣電阻很高，并能承受V以上高壓，所以經慣用來隔離強電和弱電系統；光電耦合器有極強抗干擾能力；光電耦合器含有較高信號傳遞速度。光電耦合器用途很廣，如作為信號隔離轉換，脈沖系統電平匹配，微機控制系統輸入、輸出回路等。醫學電子儀器原理與技術專家講座第24頁

晶體三極管

晶體三極管是電子線路中關鍵器件，它突出特點是在一定外加電壓條件下含有電流放大作用。醫學電子儀器原理與技術專家講座第25頁1.晶體管結構

晶體三極管簡稱為晶體管或三極管，其基本結構是由兩個PN結組成，組成形式有NPN和PNP兩種。醫學電子儀器原理與技術專家講座第26頁

三極管內部有三個區：發射區、基區和集電區，其中基區較另兩個區要薄得多。這三個區分別引出三個電極：發射極E、基極B和集電極C。兩個PN結分別為發射區與基區之間發射結和集電區與基區之間集電結，集電結面積較發射結面積要大。NPN型和PNP型三極管表示符號區分是發射極箭頭方向不一樣，它表示發射結加正向電壓時電流方向。三極管內部結構上特點是：發射區摻雜濃度高，即多子濃度高；基區很薄且雜質濃度低；集電區體積大，摻雜濃度較低。這是晶體管含有電流放大作用內因。醫學電子儀器原理與技術專家講座第27頁2.電流分配和電流放大作用

電源VBB使發射結承受正向偏置電壓，而電源VCC>VBB，使集電結承受反向偏置電壓，這么可使三極管含有正常電流放大作用。圖1.6晶體管電流放大試驗電路醫學電子儀器原理與技術專家講座第28頁經過試驗，能夠得出以下關系：(1)IE=IC+IB，且IB與IE、IC相比小得很多，因而IE≈IC。

(2)IB即使較小，但它對IC有控制作用，IC

隨IB改變而改變，二者之間有對應百分比關系，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。它們反應了三極管電流放大能力，或者說電流IB對IC控制能力。醫學電子儀器原理與技術專家講座第29頁3.特征曲線

三極管特征曲線全方面反應了三極管各極電壓與電流之間關系，是分析三極管各種電路主要依據。

(1)輸入特征曲線輸入特征是指在三極管集、射極間所加電壓UCE為常數時，基、射極間電路UBE與基極電流IB之間關系。醫學電子儀器原理與技術專家講座第30頁當UCE=0時，集電極和發射極間短路，輸入特征相當于由集電結和發射結組成兩個二極管并聯正向特征，這時電流IB是兩個二極管正向電流之和。當UCE=1V時，對應于相同UBE，基極電流IB減小，曲線右移。當UCE繼續增大時，其輸入特征曲線與UCE=1V時輸入特征曲線幾乎重合。由圖可見，三極管輸入特征曲線與二極管伏安特征曲線很相同，也存在一段死區。醫學電子儀器原理與技術專家講座第31頁(2)輸出特征曲線

輸出特征曲線是指當三極管基極電流IB為常數時，集電極電流IC與集、射極間電壓UCE間關系。下列圖為3DG6輸出特征曲線?？梢奍B取值不一樣，得到輸出特征曲線也不一樣，所以，三極管輸出特征曲線是一族曲線。依據三極管工作狀態不一樣，可將輸出特征分為以下三個區域：截止區、放大區、飽和區。醫學電子儀器原理與技術專家講座第32頁

a)截止區IB=0這條曲線以下區域稱為截止區。在此區域內，IC＝ICE≈0，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UBE<0V。b)放大區放大區是特征曲線中近似平行于橫軸曲線族部分。當UCE超出一定數值后（1V左右），IC展現恒流特征。在放大區，IC與IB成正比，即