DE1132976B

DE1132976B - Transistor amplifier for high amplification of low frequencies, especially for electrocardiographs

Info

Publication number: DE1132976B
Application number: DEH37726A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Erich Rode
Original assignee: WILHELM HEIBL FA
Current assignee: WILHELM HEIBL FA
Priority date: 1959-10-23
Filing date: 1959-10-23
Publication date: 1962-07-12

Description

Transistorverstärker zur hohen Verstärkung tiefer Frequenzen, insbesondere für Elektrokardiographen Die Erfindung betrifft einen Transistorverstärker zur hohen Verstärkung tiefer Frequenzen, insbesondere für Elektrokardiographen.Transistor amplifiers for high amplification of low frequencies, in particular for electrocardiographs The invention relates to a transistor amplifier for high Amplification of low frequencies, especially for electrocardiographs.

Ein Verstärker für Elektrokardiographen muß durch physiologische Vorgänge im lebenden Körper erzeugte Aktionsspannungen mit tiefen Frequenzen von weniger als 1 Hz, die von dem Patienten als »Stromquelle« mit einer Spannung von etwa 1 mV bei einem inneren Widerstand von ungefähr 150 kS2 geliefert werden, möglichst verzerrungsfrei bis auf Leistungen in der Größenordnung von 1 W verstärken. Die Ausgangsleistung des Verstärkers muß zur Betätigung eines schreibenden Meßgerätes ausreichen.An amplifier for an electrocardiograph has to pass through physiological processes Action tensions generated in the living body with low frequencies of less than 1 Hz, which is used by the patient as a "power source" with a voltage of about 1 mV with an internal resistance of approximately 150 kS2, if possible Amplify distortion-free up to powers in the order of 1 W. the The output power of the amplifier must be used to operate a writing measuring device sufficient.

Es ist bekannt, für Verstärker von Elektrokardiographen Elektronenröhren zu verwenden, deren hohe Eingangswiderstände eine verhältnismäßig günstige Anpassung an den hohen Widerstand der »Signalquelle gestatten. Wegen der sehr tiefen Frequenzen müssen die Sieb- und Koppelkondensatoren derartiger Elektronenröhrenverstärker sehr hohe Werte besitzen; außerdem ist auch der Energieaufwand zum Betrieb dieser Verstärker verhältnismäßig groß.It is known for amplifiers of electrocardiographs electron tubes to use, the high input resistance of which is a relatively cheap match to the high resistance of the »signal source. Because of the very low frequencies the filter and coupling capacitors of such electron tube amplifiers must very much have high scores; in addition, there is also the energy required to operate these amplifiers relatively large.

Aus verschiedenen Gründen, insbesondere zur Herabsetzung des Raumbedarfes und des Gewichtes, ist es nun erwünscht, auch für Elektrokardiographen Transistorverstärker zu verwenden. Da jedoch übliche Transistorverstärkerstufen um mehrere Zehnerpotenzen niedigere Eingangswiderstände als Röhren besitzen, scheiterte bisher die Ausbildung eines Niederfrequenz-Transistorverstärkers an den hohen Kapazitätswerten der Koppel- und Siebkondensatoren; die Verlustströme der erforderlichen Kondensatoren überschreiten die Eingangsströme der Transistoren und sind in der üblichen Verstärkerschaltung nicht mehr zu beherrschen. Weiterhin wird der Raumbedarf der Kondensatoren unerwünscht groß, wodurch sich die Abmessungen des gesamten Gerätes entsprechend erhöhen. Schließlich ist die erforderliche Verstärkung des schwachen Eingangssignals so hoch, daß die Entkopplung der einzelnen Verstärkerstufen Schwierigkeiten bereitet.For various reasons, in particular to reduce the space required and weight, it is now desirable also for electrocardiograph transistor amplifiers to use. However, since common transistor amplifier stages by several powers of ten have lower input resistances than tubes, the training has failed so far of a low-frequency transistor amplifier at the high capacitance values of the coupling and filter capacitors; exceed the leakage currents of the required capacitors the input currents of the transistors and are in the usual amplifier circuit can no longer be mastered. Furthermore, the space required by the capacitors is undesirable large, which increases the dimensions of the entire device accordingly. In the end the required gain of the weak input signal is so high that the Difficulty decoupling of the individual amplifier stages.

Zur Vermeidung dieser Nachteile könnte man an sich daran denken, für Elektrokardiographen einen Trägerfrequenzverstärker zu verwenden. Da jedoch das langsam schwankende »Hautgleichpotential«, dessen Frequenz meist unterhalb der unteren Grenzfrequenz eines RC-Verstärkers liegt, die Nullinie dauernd verschiebt und da auch die große Eingangsimpedanz technische Schwierigkeiten bereitet, hat man bisher die Verwendung eines Trägerfrequenzverstärkers als kaum durchführbar angesehen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Mängel der bekannten Ausführungen einen insbesondere für Elektrokardiographen geeigneten Transistorverstärker zu entwickeln, mit dem sich auch sehr tiefe Frequenzen hoch verstärken lassen.To avoid these disadvantages one could think of it for yourself Electrocardiographs use a carrier frequency amplifier. However, since that slowly fluctuating "skin equipotential", the frequency of which is usually below the lower Cut-off frequency of an RC amplifier lies, the zero line constantly shifts and there The large input impedance has also caused technical difficulties so far the use of a carrier frequency amplifier is considered hardly feasible. The invention is therefore based on the object, while avoiding the shortcomings of known designs a transistor amplifier particularly suitable for electrocardiographs to develop, with which even very low frequencies can be highly amplified.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch a) einen niederfrequenten Transistorvorverstärker mit einem Verstärkungsfaktor von 5 bis 10, dessen Verstärkerstufen eine zur Erreichung der unteren Grenzfrequenz aus Elektrolytkondensatoren hoher Kapazität und in Reihe geschalteten hochohmigen Widerständen bestehende, an sich bekannte RC-Kopplung aufweisen; b) einen nachgeschalteten Trägerfrequenzverstärker, in dem der größere Anteil der Verstärkung liegt und dessen als Ringmodulatorschaltung ausgebildete Modulatoranordnung an sich bekannte Golddrahtdioden mit starker Kennlinienkrümmung im Arbeitsbereich aufweist.This object is achieved according to the invention by a) a low frequency Transistor preamplifier with a gain factor of 5 to 10, its amplifier stages one to achieve the lower limit frequency from electrolytic capacitors higher Capacitance and high-value resistors connected in series, per se have known RC coupling; b) a downstream carrier frequency amplifier, in which the greater part of the gain lies and that as a ring modulator circuit formed modulator arrangement per se known gold wire diodes with strong characteristic curvature in the work area.

An sich ist es bekannt, bei einem Modulationsverstärker der Modulatorstufe einen Verstärker vorzuschalten. Man hat jedoch bisher bei diesen bekannten Ausführungen den Vorverstärker stets als Gleichspannungsverstärker ausgebildet, der es gestattet, Wechselspannungen und Gleichspannungen zu übertragen. Eine derartige Lösung kommt jedoch für Elektrokardiographen nicht in Betracht, da hier die Verstärkung von Gleichspannung wegen der vorhandenen »Hautspannung« geradezu verboten ist. Gemäß der Erfindung ist daher ein niederfrequenter Transistorvorverstärker vorgesehen, der Gleichspannungen nicht verstärkt. Von besonderer Bedeutung ist ferner die erfindungsgemäße Aufteilung der Verstärkung auf den niederfrequenten Vorverstärker und den nachgeschalteten Trägerfrequenzverstärker. Es hat sich nämlich gezeigt, daß sich die untere Grenzfrequenz, deren Einhaltung die große Schwierigkeit darstellt, mit wesentlich geringerem Aufwand erreichen läßt, wenn der niederfrequente Transistorvorverstärker nur einen verhältnismäßig geringen Verstärkungsgrad erhält.It is known per se, in the case of a modulation amplifier, the modulator stage to connect an amplifier upstream. However, one has so far with these known designs the preamplifier is always designed as a DC voltage amplifier, which allows To transmit alternating voltages and direct voltages. Such a solution is coming however, for electrocardiographs this is not an option, since the amplification of direct voltage is used here because of the existing "skin tension" is downright forbidden. According to the invention therefore provides a low-frequency transistor preamplifier, the DC voltages are not amplified. The invention according to the invention is also of particular importance Distribution of the amplification between the low-frequency preamplifier and the downstream Carrier frequency amplifier. It has been shown that the lower limit frequency, compliance with which is the great difficulty, with much less effort can be achieved when the low-frequency transistor preamplifier only a relatively low gain.

Auch Ringmodulatorschaltungen sind aus anderem Zusammenhang an sich bereits bekannt. Erst durch umfangreiche Versuche konnte jedoch festgestellt werden, daß bei den außerordentlich schwierigen Frequenz- und Verstärkungsverhältnissen, die bei der hohen Verstärkung niedriger Frequenzen in Transistorverstärkern vorhanden sind, Golddrahtdioden mit einer starken Kennlinienkrümmung im Arbeitsbereich praktisch die einzigen Dioden sind, mit denen sich eine einwandfreie Modulaton erzielen läßt.Ring modulator circuits are also per se from a different context already known. However, it was only through extensive tests that it could be determined that with the extremely difficult frequency and amplification ratios, those present at the high gain of low frequencies in transistor amplifiers are, gold wire diodes with a strong characteristic curvature in the work area practical are the only diodes with which a perfect modulation can be achieved.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die Speisung des Verstärkers aus einer einzigen Batterie, wobei dem Niederfrequenzverstärker eine Spannung zugeführt wird, die durch eine mit Elektrolytkondensatoren und Widerständen ausgestattete Siebkette sowie eine dieser Kette nachgeschaltete Zenerdiode mit niedrigem Innenwiderstand konstant gehalten wird.In a preferred embodiment of the invention, this takes place Powering the amplifier from a single battery, the low frequency amplifier a voltage is supplied by means of electrolytic capacitors and resistors equipped sieve chain as well as a downstream Zener diode with low Internal resistance is kept constant.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Schaltbildform dargestellt. Die Schaltbilder beziehen sich nur auf den Verstärkerteil eines Elektrokardiographen; es zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Verstärkers, Fig. 2 ein ausführliches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Verstärkers.In the drawing, an embodiment of the invention is in circuit diagram form shown. The circuit diagrams refer only to the amplifier section of an electrocardiograph; FIG. 1 shows a block diagram of an amplifier according to the invention, FIG. 2 a detailed circuit diagram of an amplifier according to the invention.

Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild zeigt den mit E bezeichneten Eingang des Niederfrequenzverstärkers NFV, dessen Ausgang mit dem Modulator M des Trägerfrequenzverstärkers TFV verbunden ist. Der Trägerfrequenzverstärker TFV besteht aus einem Oszillator O zur Erzeugung der Trägerfrequenz, dem Modulator M und dem eigentlichen Verstärker V, an dessen letzter Verstärkerstufe die verstärkte modulierte Trägerfrequenz in dem Demodulator D gleichgerichtet und die hochverstärkte Modulationsfrequenz über den Ausgang A einem schreibenden Meßgerät Sch zugeführt wird.The block diagram shown in FIG. 1 shows the input, labeled E, of the low-frequency amplifier NFV, the output of which is connected to the modulator M of the carrier frequency amplifier TFV. The carrier frequency amplifier TFV consists of an oscillator O for generating the carrier frequency, the modulator M and the actual amplifier V, at the last amplifier stage of which the amplified modulated carrier frequency is rectified in the demodulator D and the highly amplified modulation frequency is fed to a writing measuring device Sch via the output A.

Die Speisung der gesamten Verstärkerschaltung erfolgt aus einer einzigen Batterie B von beispielsweise 6 V, die den Trägerfrequenzverstärker TFV unmittelbar und den Niederfrequenzverstärker NFV über eine mit S bezeichnete Siebkette speist.The entire amplifier circuit is fed from a single one Battery B of 6 V, for example, which directly powers the carrier frequency amplifier TFV and feeds the low-frequency amplifier NFV via a sieve chain marked S.

In dem ausführlichen Schaltbild der Fig. 2 liegt links unten der Eingang E, dem die »Patientenspannung« unmittelbar zugeführt wird. Diese Eingangsspannung ist ein Gemisch unterschiedlicher Frequenzen bis zu etwa 100 Hz, von denen die niedrigsten weit unter 1 Hz liegen können. Da der innere Widerstand der spannungserzeugenden Stromquelle etwa 150 k62 beträgt, erfolgt die Ankopplung dieser Spannung an die Basis des ersten Transistors 1 der insgesamt aus drei Transistoren 1, 2, 3 aufgebauten NFV-Schaltung mit Hilfe eines Elektrolytkondensators 4 von 50 J und eines in Reihe mit diesem Kondensator liegenden Widerstandes 5 von 220 kg. Die Basis des zweiten Transistors 2 ist mit dem Kollektor des Transistors 1 über einen Koppelkondensator 6 von 100 J und einen in Reihe geschalteten hochohmigen Widerstand 7 von 10 kSZ verbunden. Die gleiche Kopplung besteht auch zwischen dem zweiten und dritten Transistor über den Elektrolytkondensator 8 und den Widerstand 9.In the detailed circuit diagram of FIG. 2, the input is at the bottom left E, to which the "patient voltage" is fed directly. This input voltage is a mixture of different frequencies down to about 100 Hz, the lowest of which can be well below 1 Hz. Since the internal resistance of the voltage-generating Current source is about 150 k62, this voltage is coupled to the Base of the first transistor 1 composed of a total of three transistors 1, 2, 3 NFV circuit with the help of an electrolytic capacitor 4 of 50 J and one in series with this capacitor lying resistance 5 of 220 kg. The base of the second Transistor 2 is connected to the collector of transistor 1 via a coupling capacitor 6 of 100 J and a series-connected high-resistance resistor 7 of 10 kSZ tied together. The same coupling also exists between the second and third transistor via the electrolytic capacitor 8 and the resistor 9.

Die Speisung des Niederfrequenzverstärkers NFV erfolgt über eine Siebkette, die aus den drei Widerständen 10, 11 und 12 mit 200, 100 und 100 S2 sowie den beiden Elektrolytkondensatoren 13 und 14 von je 25 RF besteht, aus der Batterie B, deren Klemmenspannung etwa 6 V beträgt. Die Widerstände begrenzen gleichzeitig den Strom der zur Spannungsstabilisierung quergeschalteten Zenerdiode 15. Die Spannung wird auf etwa 5 V stabilisiert.The low-frequency amplifier NFV is fed via a sieve chain, the one from the three resistors 10, 11 and 12 with 200, 100 and 100 S2 as well as the two Electrolytic capacitors 13 and 14 of 25 RF each consists of the battery B, whose Terminal voltage is about 6 V. The resistors limit the current at the same time the cross-connected Zener diode 15 for voltage stabilization. The voltage is stabilized at about 5V.

Das am Kollektor des letzten Transistors 3 auftretende vorverstärkte Signal wird über den Koppelkondensator 16 von 100 RF den Ringmodulator M des Trägerfrequenzverstärkers TFV eingekoppelt.The preamplified occurring at the collector of the last transistor 3 Signal is via the coupling capacitor 16 of 100 RF the ring modulator M of the carrier frequency amplifier TFV coupled.

Um die von dem Oszillator O gelieferte Trägerfrequenz von etwa 14 kHz möglichst günstig zu modulieren, arbeitet der Modulator M mit optimalem Trägerzusatz.Around the carrier frequency supplied by the oscillator O of about 14 To modulate kHz as cheaply as possible, the modulator M works with an optimal carrier addition.

Die Modulatorschaltung besteht aus den beiden Transformatoren 17a und 17b sowie der Dioden-Brückenschaltung 18, in der der Symmetrierwiderstand 19 liegt. Die in der Brückenschaltung enthaltenen Dioden sind Golddrahtdioden mit starker Kennlinienkrümmung im Arbeitsbereich. Der Trägerzusatz erfolgt über den Widerstand 20, dessen Abgriff derart eingestellt werden kann, daß der Modulationsgrad möglichst günstig wird.The modulator circuit consists of the two transformers 17a and 17b as well as the diode bridge circuit 18 in which the balancing resistor 19 lies. The diodes contained in the bridge circuit are gold wire diodes with strong Curvature of the characteristic in the working area. The carrier is added via the resistor 20, the tap of which can be set so that the degree of modulation is as possible becomes cheap.

An den Ringmodulator M schließt sich ein Resonanzkreis 21 an, der auf die Trägerfrequenz einschließlich ihrer Seitenbänder abgestimmt ist.A resonance circuit 21 connects to the ring modulator M, the is tuned to the carrier frequency including its sidebands.

Der aus den einfachen Transistoren 22, 23 und 24, dem Phasenumkehrtransistor 25 sowie den vier jeweils paarweise in der Gegentakt-Treiber- und -Endstufe arbeitenden Transistoren 26, 27, 28 und 29 aufgebaute eigentliche Trägerfrequenzverstärker bietet nichts besonderes. An dem Ausgang der Endstufe liegt der Transformator 30, an dessen Sekundärwicklung zwei Golddrahtdioden 31 und 32 angeschlossen sind, welche zusammen mit dem Kondensator 33 von 0,1 IF die Demodulationsschaltung mit Tiefpaß darstellen. Die am Ausgang A dieser Schaltung abgenommene hochverstärkte niedrige Eingangsfrequenz wird dem Schreibgerät Sch zugeführt.The actual carrier frequency amplifier, made up of the simple transistors 22, 23 and 24, the phase reversing transistor 25 and the four transistors 26, 27, 28 and 29 working in pairs in the push-pull driver and output stage, offers nothing special. At the output of the output stage is the transformer 30, to whose secondary winding two gold wire diodes 31 and 32 are connected, which together with the capacitor 33 of 0.1 IF represent the demodulation circuit with low-pass filter. The highly amplified low input frequency picked up at the output A of this circuit is fed to the writing instrument Sch.

Bei dem Ausführungsbeispiel ist die Niederfrequenz-Ausgangsleistung etwa 0,4 W bei einer Belastung mit 50 62; die aus der Batterie B entnommene Leistung ist etwa 6 W (1 A bei 6 V).In the embodiment, it is the low frequency output power about 0.4 W when loaded with 50 62; the power drawn from battery B. is about 6 W (1 A at 6 V).

Der Verstärker ist an jede 6-V-Auto-Batterie anschließbar. Er hat ein Gewicht von nur etwa 1,2 kg.The amplifier can be connected to any 6 V car battery. He has a weight of only about 1.2 kg.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Transistor amplifier for high gain deeper Frequencies, especially for electrocardiographs, characterized by a) a low frequency transistor preamplifier with a gain of 5 to 10, the amplifier stages of which are made from electrolytic capacitors to achieve the lower limit frequency high capacitance and high-value resistors connected in series have known RC coupling; b) a downstream carrier frequency amplifier, in which the greater part of the gain lies and that as a ring modulator circuit formed modulator arrangement per se known gold wire diodes with strong 5 characteristic curvature in the work area.

2. Transistor amplifier according to claim 1, characterized in that the amplifier is fed from a single battery and a voltage is supplied to the low-frequency amplifier which is kept constant by a filter chain equipped with electrolytic capacitors and resistors and a Zener diode with low internal resistance connected downstream of this chain . Documents considered: German Patent No. 826148; French Patent No. 796 875; German utility model No. 1730196; »Electronics«, 1959, No. 5, p.155; 1959, No. 4, pp. 114 to 116; "Radio Mentor", 1957, no. 4, pp. 214 to 217; "NTZ", 1957, no. 4, p. 197; "Electronic Engineering", July 1953, pages 299 to 301; March 1957, pp. 125 to 127; January 1959, pp. 44 and 45.