Как да използваме диоди в медицински инструменти за намаляване на шума от веригата?

1, Източници и ефекти от шума от медицински вериги
Шумът от медицинското оборудване се разделя основно на две категории:

Високочестотни електромагнитни смущения (EMI): генерирани от импулсни захранвания, безжични комуникационни модули или външни устройства, с честотен диапазон обикновено между 100kHz и 1GHz. Например, ако електрокардиографът (ЕКГ) не потиска ефективно високочестотния-шум, той може да причини изкривяване на QRS комплекса и да повлияе на диагностицирането на аритмия.
Шум от пулсации на мощността: причинен от недостатъчна токоизправителна верига или филтриране на кондензатор, проявяващ се като ниско{0}}честотни флуктуации (50Hz/60Hz смущения в мощностната честота). В преносими устройства, като например глюкомери, шумът от захранването може да маскира слаби токови сигнали, което води до грешки в измерването над ± 10%.
Вредата от шума не се ограничава до изкривяване на сигнала, но може също да причини повреда на оборудването. Например, в дефибрилаторите, ако шумът от захранването не е потиснат, високо-разрядният модул може да повреди веригата поради случайно задействане, застрашавайки безопасността на пациента.

2, Основният механизъм и принципите за избор на намаляване на диодния шум
1. Характеристики на нелинейно коригиране: потискат високо{1}}честотния шум
Диодът проявява висок импеданс, когато е предубеден обратно, и провежда, когато е предубеден, което го прави „еднопосочен вентил“ за високо-честотен шум. Когато шумовият сигнал преминава през диода, предният компонент се абсорбира от пътя на проводимостта, а обратният компонент се блокира от висок импеданс, като по този начин преобразува AC шума в DC компонент и го консумира във веригата. Например във веригата на предния-край на ЕКГ използването на диоди на Шотки (като BAT54S) може ефективно да потисне високо{6}}честотните смущения, причинени от свързване на антената, и да подобри съотношението сигнал-към-шум (SNR) с около 15dB.

Основни параметри за избор:

Време за обратно възстановяване (TRR): Трябва да бъде по-малко от 1/10 от цикъла на шумовата честота. Например, за 1MHz шум TRR трябва да бъде по-малък или равен на 100ns и се препоръчва да се използват диоди за ултрабързо възстановяване (като UF4007, TRR=50ns).
Капацитет на прехода (Cj): Ниският капацитет на прехода може да намали високо{0}}честотното свързване на сигнала. На входа на биоелектрическия усилвател диоди с Cj<2pF (such as the HSMS-286x series) should be selected to avoid signal attenuation.
2. Ценеров диод: щипка за пулсации на захранването
Ценеровите диоди поддържат стабилност на напрежението чрез характеристиките си на обратен пробив, като ефективно ограничават пулсациите на захранването. Например, в захранването с ниско - напрежение (5 V) на преносимо ултразвуково оборудване, използването на 1N4733A (със стойност за регулиране на напрежението от 5,1 V) може да потисне пулсациите на напрежението от ± 200 mV до ± 50 mV, отговаряйки на изискванията за точност на вземане на проби от ADC.

Основни параметри за избор:

Динамично съпротивление (Zz): отразява точността на регулиране на напрежението. Колкото по-малък е Zz, толкова по-добър е ефектът на потискане на пулсациите. Препоръчително е да изберете модели с Zz<10 Ω for medical grade equipment (such as BZT52C5V1).
Температурен коефициент (TC): Медицинското оборудване трябва да работи в среда от -20 градуса до 60 градуса и регулатор на напрежение с TC<2mV/℃ should be selected to avoid temperature drift affecting performance.
3. Потискащ диод: специално-високочестотно поглъщане на шума
Потискащите диоди (като 1N5711) образуват PN преходи с нисък капацитет чрез специални процеси на допиране, които могат да абсорбират шум на ниво GHz. В радиочестотния преден- край на оборудването за магнитно резонансно изображение (MRI), използването на 1N5711 може да намали шума от 100MHz до 1GHz с повече от 40dB, защитавайки ниско{9}}шумния усилвател (LNA) от смущения.

Основни параметри за избор:

Обратен ток на утечка (Ir):<1 μ A (25 ℃) is required to avoid introducing additional noise in low-power circuits.
Номинална мощност (Pd): Трябва да се избере въз основа на мощността на шума. Например в оборудването за ЯМР трябва да се избират модели с Pd, по-голямо или равно на 1 W, за да издържат на високо-енергийни импулсни смущения.
3, Практика за намаляване на шума в типични сценарии за медицинско приложение
1. Получаване на ЕКГ сигнал: защита на предната- верига
Амплитудата на ЕКГ сигнала е само 1mV до 5mV, което лесно се маскира от високо-честотен шум. При проектирането двупосочен диод за потискане (като BAV99) трябва да бъде свързан паралелно във входния край, за да се образува защита от ± 10 V, а кондензатор от 0,1 μF трябва да бъде свързан последователно, за да се филтрират високо-честотните смущения. Тестовете показват, че тази схема може да потисне смущенията от 50 Hz мощност с 60 dB и да подобри точността на откриването на QRS комплекс до 99,5%.

2. Преносим глюкомер: потискане на шума от захранването
Глюкомерът се захранва от една литиева батерия и пулсациите на мощността могат да повлияят на откриването на тока на ензимния електрод. Чрез успоредно свързване на диоди на Шотки (като SS14F) на входа на LDO регулатора, напрежението на пулсациите може да бъде намалено от ± 50 mV до ± 10 mV, а повторяемостта на измерването (CV%) може да бъде оптимизирана от 8% до 3%.

3. Ендоскопска система за изображения: изолиране на радиочестотни смущения
Модулът на камерата на безжичния ендоскоп е податлив на смущения на 2,4 GHz Wi Fi сигнал, което води до хоризонтален шум в изображението. Чрез свързване на потискащ диод (като HSMS-2850) последователно между антената и RF предния-край, сигналът за смущение може да бъде отслабен с 30dB, а съотношението сигнал-към шум на изображението (PSNR) може да бъде подобрено с 12dB, отговаряйки на клиничните диагностични нужди.