Làm thế nào để sử dụng điốt trong dụng cụ y tế để giảm nhiễu mạch?

1, Nguồn và ảnh hưởng của nhiễu mạch y tế
Tiếng ồn của thiết bị y tế chủ yếu được chia thành hai loại:

Nhiễu điện từ tần số cao (EMI): được tạo ra bằng cách chuyển đổi nguồn điện, mô-đun giao tiếp không dây hoặc thiết bị bên ngoài, có dải tần thường nằm trong khoảng từ 100kHz đến 1GHz. Ví dụ: nếu máy điện tâm đồ (ECG) không ngăn chặn hiệu quả nhiễu tần số-cao, nó có thể gây biến dạng phức hợp QRS và ảnh hưởng đến chẩn đoán rối loạn nhịp tim.
Nhiễu gợn điện: do mạch chỉnh lưu hoặc tụ điện lọc không đủ, biểu hiện dưới dạng dao động tần số-thấp (nhiễu tần số nguồn 50Hz/60Hz). Trong các thiết bị di động như máy đo đường huyết, nhiễu nguồn điện có thể che khuất tín hiệu dòng điện yếu, dẫn đến sai số đo vượt quá ± 10%.
Tác hại của nhiễu không chỉ ở việc làm méo tín hiệu mà còn có thể khiến thiết bị bị hỏng. Ví dụ: trong máy khử rung tim, nếu tiếng ồn nguồn không được triệt tiêu, mô-đun phóng điện áp cao{1}}có thể làm hỏng mạch do vô tình kích hoạt, gây nguy hiểm cho sự an toàn của bệnh nhân.

2, Cơ chế cốt lõi và nguyên lý lựa chọn giảm nhiễu của diode
1. Đặc điểm chỉnh lưu phi tuyến: triệt tiêu nhiễu tần số-cao
Điốt có trở kháng cao khi phân cực ngược và dẫn điện khi phân cực thuận, khiến nó trở thành "van một chiều" đối với nhiễu tần số cao. Khi tín hiệu nhiễu đi qua diode, thành phần thuận được hấp thụ bởi đường dẫn và thành phần ngược bị chặn bởi trở kháng cao, từ đó chuyển nhiễu AC thành thành phần DC và tiêu thụ nó trong mạch. Ví dụ: trong mạch-đầu cuối ECG, việc sử dụng điốt Schottky (chẳng hạn như BAT54S) có thể triệt tiêu hiệu quả nhiễu tần số cao- do ghép nối ăng-ten gây ra và cải thiện tỷ lệ nhiễu-trên-tín hiệu (SNR) khoảng 15dB.

Các thông số chính để lựa chọn:

Thời gian phục hồi ngược (TRR): Phải nhỏ hơn 1/10 chu kỳ tần số nhiễu. Ví dụ: đối với nhiễu 1 MHz, TRR phải nhỏ hơn hoặc bằng 100ns và nên sử dụng điốt phục hồi cực nhanh (chẳng hạn như UF4007, TRR=50ns).
Điện dung tiếp giáp (Cj): Điện dung tiếp giáp thấp có thể làm giảm khả năng ghép tín hiệu tần số cao-. Ở đầu vào của bộ khuếch đại điện sinh học, các điốt có Cj<2pF (such as the HSMS-286x series) should be selected to avoid signal attenuation.
2. Diode Zener: kẹp nguồn gợn sóng
Điốt Zener duy trì sự ổn định điện áp thông qua đặc tính đánh thủng ngược của chúng, giúp hạn chế gợn sóng nguồn điện một cách hiệu quả. Ví dụ: trong nguồn điện áp-thấp (5V) của thiết bị siêu âm cầm tay, sử dụng 1N4733A (có giá trị điều chỉnh điện áp là 5,1V) có thể triệt tiêu điện áp gợn sóng từ ± 200mV xuống trong phạm vi ± 50mV, đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác lấy mẫu của ADC.

Các thông số chính để lựa chọn:

Điện trở động (Zz): phản ánh độ chính xác của việc điều chỉnh điện áp. Zz càng nhỏ thì hiệu ứng triệt tiêu gợn sóng càng tốt. Nên chọn model có Zz<10 Ω for medical grade equipment (such as BZT52C5V1).
Hệ số nhiệt độ (TC): Thiết bị y tế cần hoạt động trong môi trường từ -20 độ đến 60 độ và bộ điều chỉnh điện áp có TC<2mV/℃ should be selected to avoid temperature drift affecting performance.
3. Đi-ốt triệt tiêu: hấp thụ nhiễu tần số-cao chuyên dụng
Điốt triệt tiêu (chẳng hạn như 1N5711) tạo thành các điểm nối PN điện dung thấp thông qua các quá trình pha tạp đặc biệt, có thể hấp thụ nhiễu ở mức GHz. Ở phần đầu RF-của thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI), việc sử dụng 1N5711 có thể giảm hơn 40dB tiếng ồn từ 100 MHz xuống 1GHz, bảo vệ bộ khuếch đại nhiễu-thấp (LNA) khỏi bị nhiễu.

Các thông số chính để lựa chọn:

Dòng rò ngược (Ir):<1 μ A (25 ℃) is required to avoid introducing additional noise in low-power circuits.
Công suất định mức (Pd): Nên chọn dựa trên công suất nhiễu. Ví dụ: trong thiết bị MRI, nên chọn những mẫu có Pd Lớn hơn hoặc bằng 1W để chịu được nhiễu xung năng lượng-cao.
3, Thực hành giảm tiếng ồn trong các tình huống ứng dụng y tế điển hình
1. Thu thập tín hiệu ECG: bảo vệ mạch-đầu cuối
Biên độ của tín hiệu ECG chỉ từ 1mV đến 5mV, dễ bị che khuất bởi nhiễu tần số-cao. Khi thiết kế, nên mắc song song một diode triệt tiêu hai chiều (chẳng hạn như BAV99) ở đầu vào để tạo thành lớp bảo vệ kẹp ± 10V và nối tiếp một tụ điện 0,1 μ F để lọc nhiễu tần số cao. Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng sơ đồ này có thể triệt tiêu nhiễu tần số nguồn 50Hz xuống 60dB và cải thiện độ chính xác của việc phát hiện phức hợp QRS lên 99,5%.

2. Máy đo đường huyết cầm tay: khử tiếng ồn nguồn điện
Máy đo đường huyết được cấp nguồn bằng một pin lithium duy nhất và gợn sóng điện có thể ảnh hưởng đến việc phát hiện dòng điện cực enzyme. Bằng cách mắc song song các điốt Schottky (chẳng hạn như SS14F) ở đầu vào của bộ điều chỉnh LDO, điện áp gợn sóng có thể giảm từ ± 50mV xuống ± 10mV và độ lặp lại phép đo (CV%) có thể được tối ưu hóa từ 8% đến trong vòng 3%.

3. Hệ thống hình ảnh nội soi: Cách ly nhiễu RF
Mô-đun camera của máy nội soi không dây dễ bị nhiễu tín hiệu Wi Fi 2,4 GHz, dẫn đến nhiễu ngang trong hình ảnh. Bằng cách kết nối nối tiếp một đi-ốt triệt tiêu (chẳng hạn như HSMS{3}}2850 giữa ăng-ten và đầu RF-, tín hiệu nhiễu có thể giảm đi 30dB và tỷ lệ nhiễu-tín hiệu hình ảnh (PSNR) có thể được cải thiện thêm 12dB, đáp ứng nhu cầu chẩn đoán lâm sàng.