DE60006374T2 - Verfahren und einrichtung zur gleichtaktimpedanzfehlersteuerung einer isolierten schaltung mit eintaktausgang - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur gleichtaktimpedanzfehlersteuerung einer isolierten schaltung mit eintaktausgang Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Rauschreduktion in Schaltkreisen und insbesondere auf das Verringern des in einem Verstärker, wie einem unsymmetrischen Verstärker, auftretenden Gleichtaktrauschen, indem zumindest eine Abschirmung für den Verstärker bereitgestellt wird und ein kapazitives Element zwischen der Abschirmung und einem Eingang des Verstärkers geschaltet wird, so dass eine symmetrische Impedanz zwischen den Eingängen zum Verstärker und jedem Rückführungsweg für einen Gleichtaktstrom ausgebildet wird.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Qualität des Ausgangssignals, das von einem Verstärker zum Verstärken eines schwachen Signals erzeugt wird, ist enorm anfällig für Gleichtaktrauschen, da eine große Verstärkung notwendig ist, um aus dem relativ niedrigen Spannungsniveau des schwachen Signals eine brauchbare Spannung zu erzeugen. Beispielsweise muss der Verstärker, wenn das kleine Signal eine Maximalspannung von 10 Millivolt aufweist, eine 500fache Verstärkung bereitstellen, um eine brauchbare Spannung von 5 Volt für das Ausgangssignal zu erzeugen, das das verstärkte kleine Signal repräsentiert.
  • Gleichtaktrauschen ist häufig die Hauptquelle von Störungen in einem Ausgangssignal, das aus einem kleinen Signal erzeugt worden ist, das an den Eingängen zu einem Verstärker für die Verstärkung bereitgestellt worden ist. Beispielsweise ist die Qualität des Ausgangssignals eines unsymmetrischen Vorverstärkers enorm anfällig für Gleichtaktrauschen. Gleichtaktsignale können vorkommen, wenn eine Schaltung eine Schleife enthält, die den Strom von der Quelle des Gleichtaktsignals durch sämtliche Signalwege fließen und über einen beliebigen Nicht-Signalweg zur Gleichtaktquelle zurückkehren lässt. Gleichtaktsignale werden üblicherweise durch elektrische Felder oder Gradienten erzeugt, die an entweder alle Signalwege oder jeglichen anderen Nicht-Signalweg in der Schaltungsschleife oder an beide gekoppelt sind. Diese Gleichtaktsignale führen zu Gleichtaktströmen, die durch die Gleichtaktschaltungsschleife fließen. Jedes Impedanz-Ungleichgewicht zwischen den Signalleitungen ruft den Gleichtaktstrom hervor und führt dazu, dass der Gleichtaktstrom eine Differenzspannung zwischen den Leitungen im Ungleichgewicht erzeugt. Dies resultiert in einem Gleichtaktrauschen, das zusammen mit dem jeweiligen Signal im Ausgang des Verstärkers auftritt.
  • Im Stand der Technik sind mehrere Versuche unternommen worden, das Problem des Eliminierens oder Unterdrückens des Gleichtaktrauschens, das am Eingang zu einem Verstärker entsteht, zu lösen, so dass das durch den Verstärker erzeugte Ausgangssignal ein hohes Verhältnis von kleinem Signal zu Gleichtaktrauschen, d. h. ein verbessertes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMMR, common mode rejection ratio), aufweist. Die Versuche beim Stand der Technik schließen Folgendes ein:
    • (1) Verringern der Auswirkung eines variierenden externen elektrischen Felds indem die Quelle des kleinen Signals physisch vom elektrischen Feld wegbewegt wird;
    • (2) Verwenden eines separaten Instrumentenverstärkers, um das CMRR-Verhältnis zu erhöhen, indem ein unsymmetrisches Eingangssignal an den Verstärker in ein Differenz-Eingangssignal umgewandelt wird;
    • (3) elektrisches Isolieren des Verstärkers, um das CMRR-Verhältnis zu erhöhen; und
    • (4) Verbessern des CMRR-Verhältnisses indem die Gegentaktimpedanz vergrößert wird, während gleichzeitig die Gleichtaktimpedanz verringert wird, indem ein zusätzlicher Schaltkreis hinzugefügt wird, der aktive Komponenten wie Operationsverstärker einschließt.
  • Die WO-96/27944 offenbart eine Schaltung, in der der Ausgang eines Verstärkerblocks so an den Eingang des nichtinvertierenden Knotens des Verstärkerblocks zurückgeführt wird, dass die Gegentaktimpedanz erhöht wird, während eine niedrige Gleichtaktimpedanz beibehalten wird.
  • In 1A ist eine schematische Übersicht 10 einer elektronischen Schaltung nach dem Stand der Technik zum Verstärken eines kleinen Signals mit einem unsymmetrischen, nicht isolierten Verstärker. Ein Ende einer Quelle für das Gleichtaktrauschen 18 ist durch eine Parasitärkapazität 15 mit dem Erdpotential verbunden und ein anderes Ende der Störungsquelle ist an eine Niedrigsignalquelle 16 gekoppelt. Die Niedrigsignalquelle 16 ist durch ihre Quellenimpedanzelemente (dargestellt durch einen Widerstand 22 und einen Widerstand 24) an den Eingang eines unsymmetrischen Verstärkers 12 sowie die Referenz für den Verstärker gekoppelt. Die nicht isolierte Stromzufuhr (nicht dargestellt) des Verstärkers ist sowohl an Erde als auch an die Schaltungsmasse gekoppelt. Die Impedanz in den Signalleitungen gegenüber dem Gleichtaktstrom ist nicht im Gleichgewicht. Dies führt dazu, dass beinahe der gesamte Gleichtaktstrom, der durch den Widerstand 24 fließt, unterschiedliche Spannungsabfälle über die Widerstände 22 und 24 erzeugt. Die Unterschiede in den Spannungsabfällen werden zur Signalquelle 16 addiert und erzeugen somit ein Artefakt im Ausgangssignal. Da die Referenz für den Verstärker die Schaltungsmasse ist, ist am Eingang des Verstärkers keine Gleichtaktspannung vorhanden, wie in den 1B und 1C unten ersichtlich ist.
  • 1B ist eine schematische Übersicht 26, die eine Differenzverstärkungsschaltung nach dem Stand der Technik veranschaulicht, die für die Verbindung mit der Signalquelle 16 zwei (nicht-invertierend und invertierend) Eingänge verwendet und die Störungsquelle 18 mit beiden Eingängen verbindet. Eine Signalquelle 16 ist durch ihre Quellenimpedanzelemente (dargestellt durch die Widerstände 22 und 24) an beide Eingänge des Verstärkers 12 gekoppelt. Die Quelle für das Gleichtaktrauschen 18 ist durch die Parasitärkapazität mit Erde verbunden. Die Störungsquelle 18 ist auch an die Niedrigsignalquelle 16 gekoppelt und ist an beiden Eingängen des Verstärkers angeordnet. Auch die nicht isolierte Stromzufuhr (nicht dargestellt) des Verstärkers ist sowohl an Erde als auch an eine Schaltungsmasse gekoppelt.
  • Obwohl die Schaltung nach dem Stand der Technik in 1B das CMRR-Verhältnis verbessert, wird nur eine relativ geringe Gleichtaktimpedanz bereitgestellt und diese Schaltung ermöglicht, dass das Gleichtaktspannungssignal an beiden Eingängen des Verstärkers eingeprägt wird. Wenn das Gleichtaktspannungssignal größer ist als die Versorgungsspannungen des Verstärkers, wird der Verstärker gesättigt und das über die beiden Eingänge übertragene kleine Signal nicht verstärken.
  • In 1C veranschaulicht eine schematische Übersicht 30 eine Differenzverstärkungsschaltung nach dem Stand der Technik, die ähnlich der in 1B dargestellten Schaltung ist. Hierbei wird eine isolierte Stromzufuhr (nicht dargestellt) zum Versorgen des Verstärkers 20 verwendet. Eine Parasitärkapazität (dargestellt durch einen Kondensator 28) wird durch die Nähe der Masseebene der Vorrichtung zur Erde erzeugt. Obwohl der Gleichtaktstrom aufgrund der erhöhten Gleichtaktimpedanz geringer ist, ist das Gleichtaktsignal dennoch auf allen Eingängen an den Verstärker zumindest teilweise vorhanden, da durch den Kondensator 28 eine Verbindung zur Erde sowie eine weitere Verbindung zur Schaltungsmasse besteht. Wie bei der in 1B dargestellten Schaltung gezeigt, können die Gleichtaktsignale den Gleichtakteingangsbereich der Verstärkers übersteigen, wodurch es zu Fehlern im Ausgang kommt. Die Schaltung funktioniert jedoch auch bei höheren Gleichtaktsignalbereichen als in der 1B dargestellt korrekt. Ein Nachteil der Schaltung nach dem Stand der Technik ist, dass, da beide Eingänge in Bezug auf die Schaltungsmasse schwimmen, kein Eingang effektiv als externe Referenz für Merkmale wie einen Serienausgang verwendet werden.
  • 1D veranschaulicht eine schematische Übersicht 32 einer Verstärkungsschaltung nach dem Stand der Technik, die der in 1A dargestellten Schaltung ähnlich ist. In diesem Fall wird der Verstärker 12 jedoch durch eine isolierte Stromzufuhr (nicht dargestellt) wie in 1C versorgt. Durch die Nähe der Masseebene der Vorrichtung zur Erde wird eine Parasitärkapazität (dargestellt durch einen Kondensator 28) erzeugt und der Gleichtaktstrom wird durch die Zunahme der Gleichtaktimpedanz verringert. Wie in 1A ist die Impedanz gegenüber dem Gleichtaktstrom in den Signalleitungen unausgeglichen. Dies führt dazu, dass beinahe der gesamte Gleichtaktstrom, der durch den Widerstand 24 fließt, unterschiedliche Spannungsabfälle an den Widerständen 22 und 24 erzeugt. Der Unterschied in den Spannungsabfällen wird zur Signalquelle 16 hinzugefügt und erzeugt somit ein Artefakt im Ausgangssignal. Da die Referenz für den Verstärker die Schaltungsmasse ist, ist am Eingang des Verstärkers keine Gleichtaktspannung vorhanden, wie dies bei den 1B und 1C der Fall ist.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Verwendung der in 1D dargestellten Konfiguration mit den dazugehörenden Vorteilen, beseitigt jedoch das Problem der unausgeglichenen Impedanzen gegenüber den Gleichtaktströmen in den Signalleitungen. Dies erfolgt durch Einschließen des elektronischen Schaltkreises durch zwei Abschirmungen – eine innere Abschirmung, die mit der Schaltungsmasse und dem Referenzeingang verbunden ist, und eine äußere Abschirmung, die durch Impedanzelemente an alle anderen Signaleingänge gekoppelt ist. Die Impedanzelemente sind üblicherweise Kondensatoren deren Wert so gewählt ist, dass er mit der durch die innere und äußere Abschirmung ausgebildeten Kapazität übereinstimmt. Dies führt dazu, dass alle Signale eine symmetrische Impedanz gegenüber dem Gleichtaktstrom aufweisen, was wiederum in einem symmetrischen Gleichtaktstrom für alle Signale resultiert. Somit findet keine Umwandlung von Gleichtakt in Gegentakt statt. Die vorliegende Erfindung macht es dadurch möglich, ein bestimmtes kleines Signal auf ein brauchbares Spannungsniveau zu verstärken, ohne ein Ausgangssignal zu erzeugen, das auch einen relativ großen Anteil an Gleichtaktrauschen einschließt.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Steuerung der Gleichtakt-Impedanzunsymmetrie einer isolierten unsymmetrischen, elektronischen Schaltung durch Steuerung einer Impedanz durch einen Gleichtaktstrom, der zwischen jedem Signalweg in der Schaltung und allen Rückführungswegen für den Gleichtaktstrom vorhanden ist, umfassend:
    • (a) eine massive innere Abschirmung, die zumindest einen Abschnitt der Schaltung umschließt, wobei die massive innere Abschirmung an eine Schaltungsmasse gekoppelt ist, die eine Referenz für jeden Signalweg in der Schaltung darstellt;
    • (b) eine massive äußere Abschirmung, die zumindest einen Abschnitt der massiven inneren Abschirmung umschließt, die die Schaltung umschließt; und
    • (c) einen Kondensator, der zwischen die massive äußere Abschirmung und einen Nicht-Referenzeingang der Schaltung gekoppelt ist, wobei der Kondensator einen Wert aufweist, der in Bezug auf einen anderen Wert eines parasitären Kondensators bestimmt ist, der zwischen der massiven inneren Abschirmung und der massiven äußeren Abschirmung gebildet ist, wodurch ein erwünschtes Verhältnis der Impedanzen von jedem Signalweg zu allen Rückführwegen für den Gleichtaktstrom bereitgestellt ist.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung bereit, um die Auswirkung einer externen Rauschquelle auf den Schaltkreis, der einen Verstärker einschließt, zu verringern. Eine Ausführungsform ermöglicht das Ausgleichen der Impedanz, die zwischen jedem Eingang zum Verstärker und jedem beliebigen Rückführungsweg für einen Gleichtaktstrom vorhanden ist und im Schaltkreis durch die externen Störungsquelle erzeugt worden ist, Folgendes umfassend:
    (1) eine vollständige Abschirmung hergestellt aus einem leitenden Material, die zumindest einen Abschnitt des Verstärkers in der Schaltung umschließen kann; (2) eine Masseebene (ground plane) für den Schaltkreis, die an einen Eingang des Verstärkers gekoppelt werden kann; und (3) einen Kondensator, der zwischen einen anderen Eingang des Verstärkers und die volständige Abschirmung geschaltet werden kann, wobei der Wert des Kondensators so gewählt ist, dass er mit der zwischen der vollständigen Abschirmung und der Masseebene des Schaltkreises geschaffenen Parasitärkapazität übereinstimmt.
  • Der Kondensator kann eine diskrete kapazitative Komponente sein. Der Kondensator kann auch durch eine ebene Platte aus einem leitenden Material ausgebildet sein und angrenzend an ein dielektrisches Material angeordnet sein, das an die vollständige Abschirmung angrenzend angeordnet ist. Die Größe und Position der ebenen Platte ist so ausgewählt, dass eine Kapazität geschaffen wird, die einen mit der zwischen der vollständigen Abschirmung und dem Gegengewicht des Schaltkreises ausgebildeten Kapazität übereinstimmt. Es ist auch vorstellbar, dass ein übereinstimmender Widerstand mit dem Kondensator zwischen der einen Abschirmung und der anderen Abschirmung in Reihe geschaltet ist. Hierbei fährt der übereinstimmende Widerstand, wenn der Kondensator in einer geschlossenen Position ausfällt, mit dem Ausgleichen der Impedanz gegenüber den Gleichtaktsignalen fort, jedoch mit einem geringeren Leistungsverhalten wie durch die Kombination aus Kondensator und Widerstand erzielt wird. Zudem kann der im Schaltkreis eingeschlossene Verstärker ein Vorverstärker sein.
  • In einer anderen Ausführungsform kann ein Gehäuse bereitgestellt sein, um den Schaltkreis zu umschließen. Das Gehäuse wäre aus einem nicht-leitenden Material hergestellt. Die vollständige Abschirmung könnte innerhalb des Inneren des Gehäuses oder auf der Außenfläche des Gehäuses angeordnet sein. Wenn der Kondensator durch eine ebene Platte aus leitendem Material ausgebildet wird, kann er angrenzend an die Innenfläche des Gehäuses angeordnet werden. Die Größe und Position der ebenen Platte würde so ausgewählt werden, dass ein Kapazitätswert erzeugt wird, der mit der zwischen der vollständigen Abschirmung und der Masseebene des Schaltkreises geschaffenen Parasitärkapazität übereinstimmt.
  • Es ist vorstellbar, dass die vollständige Abschirmung eine Öffnung einschließt, um einen Zugang zu einer Komponente des Schaltkreises bereitzustellen. Die vollständige Abschirmung kann aus einem feinen Gitter aus leitendem Material hergestellt sein. Zudem kann die vollständige Abschirmung einen Abschnitt einschließen, der aus einer festen Schicht aus leitendem Material besteht.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann die vollständige Abschirmung eine andere Abschirmung einschließen, die zumindest einen Abschnitt des Verstärkers im Schaltkreis bedeckt. Die andere Abschirmung kann an das Gegengewicht des Schaftkreises gekoppelt sein und von den anderen Komponenten im Schaltkreis elektrisch isoliert sein. Es ist vorstellbar, dass die andere Abschirmung aus einem feinen Gitter oder einer festen Schicht aus leitendem Material besteht.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ermöglicht das Verringern der Auswirkung einer Gleichtaktrauschquelle auf den Schaltkreis, der einen Verstärker einschließt, indem die zwischen jedem Eingang des Verstärkers und jedem beliebigen Rückführungsweg für einen Strom mit Gleichtaktrauschen im Schaltkreis vorhandene Impedanz ausgeglichen wird, Folgendes umfassend:
    (1) eine Masseebene für den Schaltkreis kann an einen Eingang des Verstärkers gekoppelt sein; (2) eine Abschirmung könnte zumindest einen Abschnitt des Schaltkreises umschließen, wobei die Größe und Anordnung der Abschirmung so ausgewählt werden würde, dass das Einwirken der externen Rauschquelle auf jeden Eingang des Verstärkers ausgeglichen ist; und (3) ein Kondensator könnte zwischen der Abschirmung und jedem Eingang des Verstärkers geschaltet werden, der nicht an die Masseebene des Schaltkreises gekoppelt ist, wobei der Wert des Kondensators so ausgewählt werden würde, dass die Impedanz zwischen jedem Eingang und einem durch eine Parasitärkapazität im Schaltkreis erzeugten Gleichtaktstrom ausgeglichen ist.
  • Der Kondensator kann durch Anbringen einer Schicht aus einem elektrisch leitenden Material in unmittelbar Nähe zur Abschirmung ausgebildet werden. Die Schicht wäre durch eine andere Schicht aus einem dielektrischen Material von der Abschirmung elektrisch isoliert. Die Größe und die Position der Schicht würden so ausgewählt werden, dass ein vorbestimmter kapazitativer Wert erzeugt wird. Zusätzlich könnte der Verstärker von anderen Komponenten im Schaltkreis elektrisch isoliert sein.
  • Zumindest ein Abschnitt der Abschirmung könnte aus einem groben Gitter aus einem leitenden Material bestehen. Ein weiterer Abschnitt der Abschirmung könnte aus einer festen Schicht aus einem leitenden Material bestehen.
  • Eine weitere Ausführungsform, die ein Reduzieren der Auswirkung einer externen Störungsquelle auf den Schaltkreis, der den Verstärker einschließt, ermöglicht, umfasst Folgendes:
    (1) eine Gitterschicht aus einem leitenden Material, die zumindest einen Abschnitt des Schaltkreises umschließt; (2) eine weitere Gitterschicht aus einem leitenden Material, die die Gitterschicht und zumindest den Abschnitt des Schaltkreises umschließt; und (3) eine Isolierschicht aus einem dielektrischen Material, die zwischen der Gitterschicht und der anderen Gitterschicht bereitgestellt ist und eine elektrische Isolierung zwischen der Gitterschicht und der anderen Gitterschicht ausbildet, so dass eine Größe und Form der Gitterschicht, die Isolierschicht und die andere Gitterschicht einen Schichtverbund formen, der das Einwirken der externen Rauschquelle auf jede Gitterschicht ausgleicht.
  • Ein Eingang des Verstärkers kann an die Gitterschicht gekoppelt sein und die andere Gitterschicht kann an jeden anderen Eingang des Verstärkers gekoppelt sein. Eine Masseebene des Schaltkreises kann an die Gitterschicht gekoppelt sein und ein Kondensator kann zwischen der anderen Gitterschicht und jedem Eingang des Verstärkers geschaltet sein. Alternativ kann ein Eingang des Verstärkers an die andere Gitterschicht gekoppelt sein und die Gitterschicht kann an jeden beliebigen anderen Eingang des Verstärkers gekoppelt sein. Hierbei kann eine Masseebene für den Schaltkreis an die andere Gitterschicht gekoppelt sein und ein Kondensator kann zwischen die Gitterschicht und jeden Eingang des Verstärkers geschaltet sein. Zudem kann der Verstärker von den anderen Komponenten im Schaltkreis elektrisch isoliert sein. Es ist auch vorstellbar, dass eine Öffnung durch den durch die Gitterschicht, die Isolierschicht und die andere Gitterschicht ausgebildeten Schichtverbund verläuft, um einen Zugang zu einer Komponente des Schaltkreises bereitzustellen.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann die vorliegende Erfindung mit einer Hochspannungsschaltung, wie z. B. eine Defibrillatorschaltung, verwendet werden. Der Verstärker kann dazu eingesetzt werden, ein kleines Signal, z. B. ein Elektrokardiogrammsignal, abzufühlen, bis entschieden wird, eine Wellenform von der Defibrillationsschaltung an einen Patienten abzugeben. Es ist vorstellbar, dass ein Stoßspannungs-Schutzelement mit einem Widerstand in Reihe oder alleine zwischen einer äußeren Abschirmung und einer inneren Abschirmung geschaltet wird, der mit der Masseebene des Schaltkreises verbunden ist. Das Stoßspannungs-Schutzelement und der Widerstand können verwendet werden, um die Spannung auf der Abschirmung während der Entladung des Defibrillators zu klemmen. Der Wert des Widerstands würde so gewählt werden, dass die Menge der Einschaltstromspitze, die durch das Stoßspannungs-Schutzelement fließen kann, begrenzt ist. In einer Ausführungsform kann der Netzfilter eine „Gasentladungs"-Vorrichtung für maximal 90 Volt sein und der Widerstand kann einen Wert von 4000 Ohm aufweisen. In dieser Ausführungsform kann die äußere Abschirmung so konstruiert sein, dass sie Maximalspannungen standhält, die etwas höher als die Bemessung des Stoßspannungs-Schutzelements, z. B. 90 Volt, anstelle der Nennspannung der Defibrillatorschaltung sind, die bis zu 5000 Volt betragen kann. Zudem könnte der Widerstand und das Stoßspannungs-Schutzelement auch zwischen der Masseebene des Schaltkreises und einer Abschirmung, die in einer beliebigen oben dargestellten Ausführungsform angeordnet ist, in Reihe geschaltet werden.
  • Es ist auch vorstellbar, dass zwischen der äußersten Abschirmung und einer kleinen Signalquelle eine andere Verbindung ausgebildet wird. Diese Verbindung kann einen geringeren Impedanzweg für einen Gleichtaktstrom bereitstellen und somit die Wahrscheinlichkeit, dass es zu einer Umwandlung von Gleichtakt zu Gegentakt kommt, verringern. Zudem versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung auch mit einem anderen Schaltkreis verwendet werden kann, der andere elektronische Schaltungen, z. B. einen Analog-Digital-Wandler, einschließt.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
  • Die vorhergehenden Aspekte und zahlreiche zugehörigen Vorteile dieser Erfindung werden offensichtlicher, wenn diese durch Verweis auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Abbildungen verständlicher werden, worin:
  • 1A1D Versuche, durch eine Verstärkungsschaltung abgefühltes Gleichtaktrauschen zu reduzieren, nach dem Stand der Technik veranschaulichen;
  • 2A eine massive innere und äußere Abschirmung mit zwischen den Abschirmungen angeordneter Parasitärkapazität sowie den diskreten Kondensator zeigt, der übereinstimmend mit der Parasitärkapazität angeordnet ist;
  • 2B ähnlich zu 2A ist, jedoch veranschaulicht, dass die innere Abschirmung die Schaltung nicht vollständig umschließen muss – wie dies bei einem Gegengewicht der Fall wäre -, wenn sich die Schaltungsstörungsemissionen und die Sensibilität bei dieser Konfiguration auf einem akzeptablen Niveau bewegen;
  • 3 ein schematisches Betriebsmodell der Verstärkungsschaltung für kleine Signale mit einer Netz- oder einer groben Gitterabschirmung darstellt;
  • 4A die äußere Gitterabschirmung mit einer vollständigen inneren Abschirmung entlang der parasitären und diskreten Kondensatoren zeigt, die für diese Ausführungsform der Erfindung ausgebildet oder zu dieser hinzugefügt sind;
  • 4B ähnlich der 4A ist, jedoch veranschaulicht, dass die innere Abschirmung den Schaltkreis nicht vollständig umschließen muss – wie dies bei einer Masseebene der Fall wäre -, wenn sich die Schaltungsrauschemissionen und die Empfindlichkeit dieser Konfiguration auf einem akzeptablen Niveau bewegen;
  • 5A eine seitliche Querschnittsansicht ist, die einen Defibrillator mit einer externen Bodenabschirmung zeigt, die das Gehäuse des Defibrillators und ein kapazitatives Element umschließt, das zwischen die externe Abschirmung und den Signaleingang der Schaltplatine geschaltet ist;
  • 5B eine seitliche Querschnittsansicht ist, die einen Defibrillator mit einer U-förmigen inneren Abschirmung zeigt, die eine Schaltplatine, eine Stromzufuhr und einen Entladungskondensator teilweise umschließt;
  • 5C eine seitliche Querschnittsansicht ist, die einen Defibrillator mit einer oberen und einer unteren ebenen Abschirmung zeigt, die die Schaltplatine, die Stromzufuhr und den Entladungskondensator teilweise umschließen, sowie einen Kondensator, der zwischen die obere Abschirmung und den Signaleingang der Schaltplatine geschaltet ist;
  • 5D eine seitliche Querschnittsansicht ist, die einen Defibrillator mit einer im Wesentlichen U-förmigen inneren Abschirmung zeigt, die um die Schaltplatine, die Stromzufuhr und den Entladungskondensator geleitet ist und diese teilweise umschließt, sowie einen Kondensator, der zwischen die Abschirmung und den Signaleingang der Schaltplatine geschaltet ist; und
  • 5E ist eine seitliche Querschnittsansicht, die einen Defibrillator mit einer internen „inneren" Abschirmung veranschaulicht, die die Schaltplatine umschließt, sowie eine interne „äußere" Abschirmung, die die innere Abschirmung umschließt, und einen Kondensator, der zwischen die interne „äußere" Abschirmung und den Signaleingang der Schaltplatine geschaltet ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung bereit, um die Impedanz in den Signalleitungen, die von einer Signalquelle wegführen, gegenüber einem Gleichtaktstrom auszugleichen. Durch Bereitstellen von inneren und äußeren Abschirmungen um eine elektronische Schaltung und durch Hinzufügen von Impedanz zwischen der äußeren Abschirmung und den Signalleitungen, die von der Schaltung nicht als Referenz verwendet werden, ist es möglich, die Impedanz gegenüber dem Gleichtaktstrom für alle Signalleitungen auszugleichen. Diese symmetrische Impedanz gegenüber Gleichtaktströmen führt zu symmetrischen Gleichtaktströmen in sämtlichen Signalleitungen, was wiederum darin resultiert, dass die Gleichtaktsignal an den Eingängen in den elektronischen Schaltkreis nicht in Gegentaktsignale umgewandelt werden. Dadurch wird das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) einer Verstärkungsschaltung verbessert, was jedoch nicht von einer beliebigen Eigenschaft des Verstärkers oder des zugehörigen Schaltkreises abhängig ist.
  • Die folgenden Beschreibungen der Erfindung beschreiben die Erfindung in Bezug auf massive Abschirmungen und Netzabschirmungen. Eine massive Abschirmung ist eine Abschirmung, die aus eine durchgehenden Stück eines leitenden Materials besteht, das ein Minimum an Rissen oder Löchern aufweist, wo die Eingänge in die Abschirmung eintreten. Eine Netzabschirmung ist effektiv eine massive Abschirmung m t großen Rissen oder Löchern in der leitenden Schicht. Die Wirkung besteht darin, dass elektrische Felder die Netzabschirmung durchdringen, die massive Abschirmung jedoch nicht. Sowohl eine massive Abschirmung als auch eine Netzabschirmung kann durch eine Gitterabschirmung ersetzt werden, die üblicherweise aus leitenden Gewebeelementen besteht. Wenn die Bindung sehr dicht ist (d. h. nur sehr kleine oder gar keine Löcher in der Bindung vorhanden sind), dann wirkt die Gitterabschirmung ähnlich wie eine massive Abschirmung. Wenn die Bindung sehr locker ist (d. h. große Löcher in der Bindung vorhanden sind), dann wirkt die Gitterabschirmung ähnlich wie eine Netzabschirmung. Die Verwendung einer Gitterabschirmung ist in den folgenden Beschreibungen optional, wobei es sich versteht, dass die richtige Art an Gittermaterial verwendet werden muss, um eine massive Abschirmung oder eine Netzabschirmung zu ersetzen.
  • Die vorliegende Erfindung erfordert, dass der abgeschirmte Schaltkreis vom Erdpotential isoliert ist. Zwei Möglichkeiten dies umzusetzen bestehen darin, die komplette Vorrichtung, die den abgeschirmten Schaltkreis enthält, zu isolieren oder eine Isolationsbarriere zwischen dem Schaltkreis zu verwenden, die vom Erdpotential und dem abgeschirmten Schaltkreis nicht isoliert ist. Die zweite Ausführungsform benötigt eine isolierte Stromzufuhr und einen Datentransferschaltkreis. Die vorliegende Erfindung kann mit beiden Ausführungsformen verwendet werden.
  • Die 2A und 2B zeigen Ausführungsformen, die nach dem Prinzip funktionieren, einen diskreten Kondensator an die zwischen der Abschirmung und der Masseebene (ground plane) oder einer inneren Abschirmung ausgebildete Parasitärkapazität anzugleichen. In 2A ist eine schematische Übersicht 34 einer massiven „äußeren" Abschirmung 42 bereitgestellt, die eine „innere" Abschirmung 46A umschließt, die wiederum den Verstärker 26 umschließt. Ein Ende der Rauschquelle 18 ist an einen Kondensator 15 gekoppelt, der eine Parasitärkapazität zwischen dem Erdboden und der Rauschquelle darstellt. Ein anderes Ende der Rauschquelle 18 ist an einem Anschluss A parallel mit einem Ende eines Widerstandsanschlusses (dargestellt durch den Widerstand 22) und einem Ende eines anderen Widerstandsanschlusses (dargestellt durch den Widerstand 24) geschaltet. Ein anderes Ende des Widerstands 22 ist an den Eingang des Verstärkers 26 gekoppelt, und ein anderes Ende des Widerstands 24 ist an die Referenz des Verstärkers gekoppelt, die auch die Schaltungsmasse ist. Zusätzlich wird ein kleines Signal zur Verstärkung durch eine Quelle für kleine Signale (nicht dargestellt) bereitgestellt, die zwischen den Widerständen 22 und 24 eingeführt ist.
  • Eine massive äußere Abschirmung 42 aus einem leitenden Material umschließt die massive innere Abschirmung 46A und den Verstärker 26. Ein Kondensator 36A ist zwischen der massiven inneren Abschirmung 46A und der massiven äußeren Abschirmung 42 gekoppelt und repräsentiert die Parasitärkapazität von innerer Abschirmung zu äußerer Abschirmung. Ein Kondensator 38 ist zwischen die massive äußere Abschirmung 42 und Erdpotential angeschlossen und es repräsentiert die massive äußere Abschirmung zu Erdpotential-Parasitärkapazität. Ein diskreter Kondensator 40A ist zwischen der massiven äußeren Abschirmung 42 (bei Anschluss B) und dem Eingang (bei Anschluss C) des Verstärkers 26 geschaltet. Der Wert (Farad) des Kondensators 40A ist so gewählt, dass er an die Parasitärkapazität, die durch die Nähe der inneren Abschirmung 46A und der äußeren Abschirmung 42 dargestellt durch den Kondensator 36A ausgebildet ist, so dass auf allen Eingängen (einschließlich dem Referenzeingang) des Verstärkers 26 eine symmetrische Impedanz vorhanden ist. Dadurch stellt die vorliegende Erfindung eine relativ symmetrische Impedanz zwischen den Eingängen an den Verstärker 26 und jeden beliebigen Rückführweg für den Gleichtaktstrom bereit. Der Kondensator 40A ist für die Maximalspannung bemessen, die unter sämtlichen Bedingungen an die Schaltung angelegt wird, z. B. erfordert eine Hochspannungsschaltung, die in den Schaltkreis der vorliegenden Erfindung zugeschaltet ist, dass der Kondensator 40A für über 5000 Volt bemessen ist. Es versteht sich – obwohl nicht dargestellt -, dass die Verstärkerschaltung 26 innerhalb der inneren Abschirmung 46A durch andere elektronische Schaltungen ersetzt werden kann, wie z. B. ein Analog-Digital-Wandler die vorliegende Erfindung dafür verwenden kann, die Auswirkung von externen Rauschquellen auf abgetastete Eingangssignale zu verringern.
  • Anstatt einen Anpassungskondensator 40A zu verwenden, um die unsymmetrische Parasitätkapazität zu kompensieren, ist es vorstellbar – jedoch nicht dargestellt –, dass ein Anpassungswiderstand zwischen die äußere Abschirmung 42 und die innere Abschirmung 46A geschaltet wird. In einer anderen Ausführungsform könnten ein Anpassungswiderstand (nicht dargestellt) mit dem Anpassungskondensator 40A zwischen der äußeren Abschirmung 42 und der inneren Abschirmung 46A in Serie geschaltet werden. Hierbei fährt der Anpassungswiderstand damit fort, die Impedanz gegenüber Gleichtaktsignalen abzugleichen, wenn der Anpassungskondensator 40A in einer geschlossenen Position ausgefallen ist, wobei er jedoch im Vergleich zum Anpassungskondensator eine geringere Leistung aufweist.
  • Es ist vorstellbar, dass eine Hochspannungsschaltung wie eine Defibrillatorschaltung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Eine optionale Defibrillatorschaltung ist mit strichlierten Linien dargestellt, um innerhalb der massiven Abschirmung 46A eingeschlossen zu sein und einen Hochspannungsentladungskondensator 37 einzuschließen, der zwischen der Schaltungsmasse und einer Induktanz 39 geschaltet ist. In strichlierten Linien ist ein Schalter 41 veranschaulicht, um den Kondensator 37 und die Induktanz 39 optional mit dem Eingang zu verbinden, der zum Zweck der Defibrillation mit dem Widerstand 22 verbunden ist. Dadurch kann der Verstärker 26 an Anschluss A ein kleines Signal, wie z. B. ein Elektrokardiogrammsignal, abfühlen, bis entschieden wird, den Schalter 41 einzusetzen, um von der Defibrillatorschaltung über die Widerstandsleitungen (Widerstände 22 und 24) eine Wellenform an einen Patienten abzugeben. Die Widerstände 22 und 24 repräsentieren die in einem Patienten vorhandenen Quellenwiderstände und sind als solche Teil des Patienten oder zumindest einer Kombination aus Patient und einem Paar an Elektroden, die durch die Widerstandleitungen an den Patienten gekoppelt sind.
  • Optional können ein Stoßspannungs-Schutzelement 45 (strichliert dargestellt) und ein Widerstand 44 (strichliert dargestellt) oder ein Stoßspannungs-Schutzelement 45 alleine zwischen der äußeren Abschirmung 42 und der inneren Abschirmung 46A in Serie geschaltet sein, die mit der Schaltungsmasse verbunden ist, wenn die Abschirmungen nicht von den in der Schaltung vorhandenen Spannungen elektrisch isoliert werden können. Das Stoßspannungs-Schutzelement 45 und der Widerstand 44 haben keine Auswirkung auf die CMRR oder eine beliebige Kapazität in der Schaltung. Stattdessen spielen sie dann eine Rolle in der Schaltung, wenn ein Spannungsstoß auftritt. Beispielsweise könnte die Abschirmung potentiell auf eine Hochspannung von 5000 Volt oder mehr aufgeladen werden, wenn die Erfindung in einer Vorrichtung wie ein Defibrillator eingesetzt wird. Die Verwendung des Stoßspannungs-Schutzelements 45 und des Widerstands 44 könnte die Spannung auf der Abschirmung während der Entladung des Defibrillators auf eine Größenordnung im Bereich von 100 Volt begrenzen. Der Wert (Ohm) des Widerstands 44 ist so gewählt, dass das Ausmaß des Einschaltstromstoßes, das durch den Netzfilter fließen kann, beschränkt wird. In einer Ausführungsform kann das Stoßspannungs-Schutzelement 45 eine „Gasentladungs"-Vorrichtung sein, die für ein Maximum von 90 Volt bemessen ist, und der Widerstand 44 kann einen Wert von 4000 Ohm aufweisen. In dieser Ausführungsform muss die massive äußere Abschirmung 42 nur so konstruiert sein, dass sie Maximalspannungen, die etwas höher sind als die Bemessung des Stoßspannungs-Schutzelements 45, z. B. 90 Volt standhält, anstatt der Spannungsbemessung der Hochspannungsschaltung, die bei bis zu 5000 Volt liegen kann. Zudem können der Widerstand 44 und das Stoßspannungs-Schutzelement 45 zwischen der Schaltungsmasse und einer Abschirmung (massiv oder netzartig), die in einer beliebigen der unten dargestellten Konfigurationen angeordnet ist, in Serie geschaltet sein, was in den untenstehend erläuterten Figuren nicht dargestellt ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann über den Reihenwiderstand 23 (dargestellt in strichlierten Linien) eine andere Verbindung zwischen der massiven äußeren Abschirmung 42 und dem Anschluss A ausgebildet sein. Diese Verbindung stellt einen geringeren Impedanzweg für den Gleichtaktrauschstrom bereit, da dieser Strom nicht durch die Kondensatoren 36A und 40A fließen muss. Dadurch wird der Gleichtaktstörungsstrom wirksam weg von den Widerständen 22 und 24 geleitet, was zu einem wesentlich geringeren Spannungsabfall über diese Widerstände führt und somit die Wahrscheinlichkeit einer Umwandlung Gleichtakt zu Gegentakt verringert.
  • Zudem kann das Verbindungsmedium zwischen der Signalquelle und dem elektronischen Schaltkreis abgeschirmt werden, indem z. B. ein geschirmtes Kabel verwendet wird. In diesem Fall sollte die Abschirmung von jedem Kabel, das von der Quelle kommt, mit der äußeren Abschirmung verbunden sein.
  • Bezugnehmend auf 2B wird in einer schematischen Übersicht eine massive Abschirmung dargestellt, die eine Verstärkungsschaltung einschließt, die mit der in 2A gezeigten Schaltung vergleichbar ist. Mit der Ausnahme, dass in diesem Fall die innere massive Abschirmung 46B so vorstellbar ist, dass sie eine Masseebene ist und somit den Verstärker 26 nicht vollständig umschließt. Ein diskreter Kondensator 40B ist zwischen der äußeren Abschirmung 42 und dem Nicht-Referenz-Eingang des Verstärkers 26 geschaltet. Der Wert (Farad) des Kondensators 40B ist so gewählt, dass er an die Parasitärkapazität angepasst ist, die durch die Nähe der inneren Abschirmung 46B und der äußeren Abschirmung 42, wie durch den Kondensator 36B dargestellt ist, ausgebildet wird, so dass auf allen Eingängen (einschließlich dem Referenzeingang) des Verstärkers 26 eine symmtrische Impedanz gegenüber den Gleichtaktsignalen vorhanden ist.
  • 3 ist eine Darstellung der diskreten Komponenten und der Parasitärkapazitäten in einer Verstärkerschaltung 66, die eine nicht massive, d. h. netzartige, Abschirmung zur Verwendung mit einer elektronischen Schaltung wie ein Defibrillator heranzieht. Gleichtaktrauschen kann an einem beliebigen Punkt in die Schleife eingeführt werden. Zwei Gleichtaktquellen werden von einer Bedienungsperson und/oder einem Patienten mit der elektronischen Schaltung verbunden. Ein Ende einer Benutzer-Rauschquelle 72 ist durch eine Parasitärkapazität 74 mit dem Erdpotential verbunden und ein anderes Ende der Benutzer-Rauschquelle ist mit einem Ende eines Kondensators 68 (Benutzer/Abschirmung-Parasitärkapazität) und einem Ende eines Kondensators 70 (Benutzer/Schaltungsmasse-Parasitärkapazität) parallel geschaltet. Das andere Ende des Kondensators 68 ist bei Anschluss E an eine nicht massive Abschirmung gekoppelt und das andere Ende des Kondensators 70 ist bei Anschluss F an die Schaltungsmasse gekoppelt. Die Verbindungen zwischen der Benutzer-Rauschquelle 72, dem Kondensator 68, dem Kondensator 70, der nicht massiven Abschirmung und der Schaltungsmasse sind mit strichlierten Linien dargestellt, um anzudeuten, dass diese Komponenten vorhanden sind, wenn ein Benutzer die mit der Schaltung verbundenen Vorrichtungen (nahe bei oder berührend) verwendet.
  • Ein Ende eines Kondensators 38 (Abschirmung/Erdpotential-Parasitärkapazität) ist mit dem Erdboden verbunden und ein anderes Ende ist bei Anschluss E an die nicht massive Abschirmung gekoppelt. Ein Ende eines Kondensators 36 (Abschirmung/Schaltungs-Masseebene-Parasitärkapazität) ist mit Anschluss E (nicht-massive Abschirmung) verbunden und das andere Ende ist bei Anschluss F mit der Schaltungsmasse verbunden. Ein Ende eines diskreten (Abschirmung/Verstärker) Kondensators 41 ist an Anschluss E (Abschirmung) gekoppelt und das andere Ende ist mit dem Nicht-Referenz-Eingang des Verstärkers 20 und einem Ende des Widerstands 22 verbunden. Das andere Ende des Widerstands 22 ist zwischen ein Ende des Widerstands 24 und ein Ende einer Patientenstörungsquelle 76 gekoppelt. Das andere Ende des Widerstands 24 ist bei Anschluss F mit der Schaltungsmasse verbunden. Zudem ist das andere Ende der Patientenstörungsquelle 76 an ein Ende eines Kondensators 78 (Patient/Erdboden-Parasitärkapazität) gekoppelt. Das andere Ende des Kondensators 78 ist mit dem Erdboden verbunden.
  • Zusätzlich ist ein Ende eines Kondensators 64 (Schaltungs-Masseebene/Erdboden-Parasitärkapazität) an den Anschluss F (Schaltungsmasse) gekoppelt und das andere Ende an das Erdpotential.
  • Die Verwendung einer nicht massiven Abschirmung führt zu zahlreichen Überlegungen, die sich von denen bei der Verwendung einer massiven (vollständigen) Abschirmung für einen Defibrillator, wie oben erläutert wurde, unterscheiden. Durch das Ignorieren der Auswirkung eines Benutzers (Benutzer-Störungsquelle 72 und Kondensatoren 68, 70 und 74) muss der durch die Widerstände 22 und 24 fließende Strom von der Patientenstörungsquelle 76 für beide Widerstände ausgeglichen werden. Dies bedeutet, dass die von der Patientenstörungsquelle 76 zur Erde hin wahrgenommene Impedanz bei den anderen Enden der Widerstände 22 und 24 dieselbe sein muss. Um diese Impedanz ohne die Verwendung eines diskreten Kondensators 41 auszugleichen, muss der Wert des Kondensators 38 (Abschirmung/Erde-Parasitärkapazität) gleich dem Wert des Kondensators 64 (Schaltungsmasse/Erde-Parasitärkapazität) sein. In Fällen, bei denen es schwierig ist, die Kondensatoren 38 und 64 anzupassen, kann der diskrete Kondensator 41 mit dem Kondensator 38 in Serie geschaltet werden, so dass die Serienkombination der Kondensatoren 38 und 41 dem Wert des Kondensators 64 entspricht.
  • Zweitens muss das Verhältnis dieser Werte zwischen Kondensator 68 und Kondensator 38 mit dem Verhältnis der Werte zwischen Kondensator 70 und Kondensator 64 übereinstimmen, wenn die Auswirkungen des Benutzers berücksichtigt werden (Benutzerrauschquelle 72 und Kondensatoren 68 und 70). Durch das Angleichen dieser Verhältnisse ist die von der Benutzerstörungsquelle 72 erzeugte Spannung an den Eingängen des Verstärkers dieselbe. Da der Wert des diskreten Abschirmung/Verstärker-Kondensators 41 so gewählt ist, dass er größer als die anderen Parasitärkapazitäten ist, ist der Spannungsabfall am diskreten Kondensator relativ klein und das Abgleichen der Verhältnisse führt zu relativ symmetrischen Spannungen an den Eingängen des Verstärkers 20. Es sind zwei Spannungsteiler, einer auf jeder Seite der „H-Brücke"-Schaltung, angeordnet, und während die Impedanzen in jedem Schenkel nicht gleich sein müssen, müssen die Verhältnisse von der Oberseite bis zum Boden gleich sein, um die Brücke auszugleichen. Da die Abschirmung/Schaltungsmasse-Parasitärkapazität (Kondensator 36) bei der nicht massiven Abschirmungsausführungsform nicht signifikant ist, wird der diskrete Abschirmung/Verstärker-Kondensator 41 nicht so ausgewählt, dass er mit dem Wert des Kondensators 36 übereinstimmt.
  • Die 4A und 4B veranschaulichen Gitterabschirmungsausführungsformen, die auf eine andere Art funktionieren als die in den 2A und 2B dargestellten Ausführungsformen. In 4A zeigt eine schematische Übersicht 50 eine „äußere" Gitterabschirmung 54, die eine „innere" massive Abschirmung 58A umschließt, die wiederum den Verstärker 20 einschließt. Ein Ende der Rauschquelle 18 ist durch einen Kondensator 15 (Störungsquelle/Erde-Parasitärkapazität) gekoppelt. Ein anderes Ende der Störungsquelle ist bei Anschluss A mit einem Ende einer Widerstandsleitung (dargestellt durch den Widerstand 22) und einem Ende der anderen Widerstandsleitung (dargestellt durch Widerstand 24) parallel geschaltet. Ein anderes Ende des Widerstands 22 ist mit dem Nicht-Referenz-Eingang des Verstärkers 20 verbunden und ein anderes Ende des Widerstands ist an die Schaltungsmasse gekoppelt, die auch den Referenzeingang des Verstärkers darstellt. Zusätzlich ist eine Quelle für kleine Signale 16 bei Anschluss A (nicht dargestellt) zwischen die Enden der Widerstände 22 und 24 geschaltet und diese Quelle stellt ein kleines Signal für die Verstärkung bereit.
  • Eine Gitterabschirmung 54 aus einem leitenden Material umschließt die massive innere Abschirmung 58A, die wiederum den Verstärker 20 einschließt. Ein Kondensator 36C (äußere Gitterabschirmung/innere massive Abschirmung-Parasitärkapazität) ist zwischen die massive innere Abschirmung 58A und die äußere Gitterabschirmung 54 geschaltet. Ein Kondensator 38B (Gitterabschirmung/Erde-Parasitärkapazität) ist zwischen die Gitterabschirmung und Erde gekoppelt. Zudem ist ein Kondensator 52A (massive innere Abschirmung/Erde-Parasitärkapazität) zwischen die massive innere Abschirmung und den Erdboden gekoppelt.
  • Ein diskreter Kondensator 41A ist zwischen die Gitterabschirmung 54 und den Nicht-Referenz-Eingang an den Verstärker 20 geschaltet. Die Gitterabschirmung ist so gewählt und positioniert, dass die Gesamtverhältnisse der Kapazitäten wie in der Beschreibung von 3 erläutert symmetrisch sind. Somit wird eine relativ symmetrische Impedanz zwischen den Eingängen an den Verstärker und einem beliebigen Rückführweg für den Gleichtaktstrom bereitgestellt.
  • Die Feinheit der Zwischenräume in der Gitterabschirmung 54 ist vorzugsweise so gewählt, dass sie geringer ist als die relative „Punktwirkung" eines angelegten elektrischen Felds einer Rauschquelle, wie z. B. ein Finger eines Benutzers. Dadurch wird die Parasitärkapazität, die durch die Nähe des Fingers in Bezug auf die Gitterabschirmung erzeugt wird, durch die zwischen dem Finger und den Verstärkungsschaltungskomponenten, einschließlich der Schaltungsmasseebene, geschaffene Parasitärkapazität ausgeglichen. Die Zwischenräume der Gitterabschirmung können so dimensioniert sein, dass ein einen Finger umgebendes elektrisches Feld auf zahlreiche Zwischenräume in der Gitterabschirmung trifft.
  • Auch die Dünnheit der Drähte, die die Gitterabschirmung 54 ausbilden, ist vorzugsweise so gewählt, dass die Verstärkungsschaltungskomponenten vom den Finger des Benutzers umgebenden elektrischen Feld wahrgenommen werden können. Beispielsweise könnte in einer weit von der Verstärkungsanordnung angeordneten Gitterabschirmung ein dünnerer Draht verwendet werden, als in einer Gitterabschirmung, die in unmittelbarer Nähe zur Schaltung angeordnet ist. Dadurch verringern die durch den dünneren Draht verursachten größeren „Löcher" in der Gitterabschirmung eine Unsymmetrie bei den Parasitärkapazitäten, die zwischen dem Finger und dem externen Netz und zwischen dem Finger und den Verstärkungsschaltungskomponenten erzeugt werden. Auch die Grobheit der Gitterabschirmung kann so gewählt werden, dass die Anbringung einer Batterie aufnehmen kann, solange das Gesamtverhältnis der Kapazitäten symmetrisch gehalten wird.
  • In 4B zeigt eine schematische Darstellung 56 ein Paar Abschirmungen, die eine Verstärkungsschaltung umschließen, die im Allgemeinen mit der in 4A gezeigten Schaltung vergleichbar ist. Mit der Ausnahme, dass in diesem Fall eine innere massive Abschirmung 58B als Masseebene vorstellbar ist und somit den Verstärker 26 nicht vollständig umschließt. Ein diskreter Kondensator 41A ist zwischen die Gitterabschirmung 54 und den Nicht-Referenz-Eingang an den Verstärker 20 gekoppelt. Die Gitterabschirmung ist so ausgewählt und positioniert, dass das Gesamtverhältnis der Kapazitäten wie oben erläutert symmetrisch ist. Somit wird zwischen den Eingängen an den Verstärker und einen beliebigen Rückführweg für den Gleichtaktstrom eine relativ symmetrische Impedanz bereitgestellt.
  • Die 5A5E veranschaulichen unterschiedliche Konfigurationen der vorliegenden Erfindung, die zusammen mit einer Hochspannungsdefibrillationsvorrichtung verwendet werden. In 5A ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Defibrillators 100A dargestellt, der ein Gehäuse 112 aufweist, das üblicherweise aus einem nicht-leitenden Material hergestellt ist. Eine Schaltplatine 104 ist innerhalb des Gehäuses 112 angeordnet. Ein Steuerungselement 110, ein Paar Elektroden 102A und 102B, die Stromzufuhr 106 und der Entladungskondensator 108 sind mit der Schaltplatine 104 gekoppelt. Eine „äußere"Abschirmung 134 umschließt die Außenseite des Gehäuses 112 des Defibrillators 100A und die im Gehäuse angeordneten Komponenten, d. h. die Schaltplatine 104, die Stromzufuhr 106 und den Kondensator 108. Ein kapazitatives Element 136 ist ausgebildet, indem eine leitende ebene Platte an der Innenseite des Gehäuses 112 angebracht wird und mit dem Nicht-Referenz-Eingang einer Verstärkungsschaltung auf der Schalttafel 104 gekoppelt wird. Die Position und Größe des kapazitativen Elements wären so gewählt, dass sie an die Parasitärkapazität zwischen der äußeren massiven Abschirmung und einer inneren massiven Abschirmung oder optional der Schaltungs-Masseebene angepasst ist.
  • In 5B wird eine seitliche Querschnittsansicht eines Defibrillators 100B gezeigt, der ein Gehäuse 112 aufweist, das üblicherweise aus einem nicht-leitenden Material hergestellt ist. Eine Schaltplatine 104 ist innerhalb des Gehäuses 112 angeordnet. Ein Steuerelement 110, ein Paar Elektroden 102A und 102B, die Stromzufuhr 106 und der Entladungskondensator 108 sind an die Schaltplatine 104 gekoppelt. Ein Kondensator 109B ist zwischen die Abschirmung 114 und den Nicht-Referenz-Eingang einer Verstärkungsschaltung auf der Schalttafel 104 gekoppelt. Für eine massive Abschirmung ist der Kondensator 109B so dimensioniert, dass er an die Parasitärkapazität zwischen der massiven Abschirmung und der Schaltungs-Masseebene angepasst ist. Für eine nicht massive Abschirmung ist der Wert des Kondensators 109B jedoch so gewählt, dass er wesentlich größer ist als die Parasitärkapazitäten in der Schaltung. Optional können das Stoßspannungs-Schutzelement 45 und der Widerstand 44 (dargestellt mit strichlierten Linien) zwischen die Abschirmung 114 und die Schaltungsmasse geschaltet sein, um im Wesentlichen dieselbe Funktion wie oben erläutert bereitzustellen. Auch eine Leitung 116 (dargestellt mit strichlierten Linien) kann zwischen die offenen Enden der U-förmigen leitenden Abschirmung 114 geschaltet werden.
  • 5C ist eine seitliche Querschnittsansicht, die einen Defibrillator 1000 veranschaulicht, der im Allgemeinen mit 5B vergleichbar ist, mit der Ausnahme, dass zwei im Wesentlichen planare leitende Abschirmungen getrennt über dem Boden des Gehäuses 112 angeordnet sind. Eine obere Abschirmung 118 ist zwischen dem Gehäuse 112 und der Oberseite der Schalttafel 104 angeordnet. Eine untere Abschirmung 120 ist zwischen dem Gehäuse 112 und der Unterseite der Stromzufuhr 106, des Entladungskondensators 108 und der Schaltplatine 104 angeordnet. Zumindest eine der Leitungen 122 und 124 ist zwischen die ähnlich angeordneten Enden der oberen Abschirmung 118 und der unteren Abschirmung 120 gekoppelt. Ein Kondensator 109C ist zwischen die Abschirmung 118 und den Nicht-Referenz-Eingang einer Verstärkungsschaltung auf der Schalttafel 104 gekoppelt. Für massive Abschirmungen ist der Kondensator 109C so dimensioniert, dass er an die Parasitärkapazität zwischen der Abschirmung und der Schaltungs-Masseebene angepasst ist. Für nicht massive Abschirmungen ist der Wert des Kondensators 109C jedoch so gewählt, dass er wesentlich größer als die Parasitärkondensatoren in der Schaltung ist.
  • 5D ist eine seitliche Querschnittsansicht, die einen Defibrillator 100D zeigt, der im Allgemeinen mit 5B vergleichbar ist, mit der Ausnahme, dass eine leitende Abschirmung 126 mit einer im Allgemeinen ebenen Oberfläche in eine U-Form gebracht worden ist, die die Schalttafel 104 sowie den Entladungskondensator 108 umschließt, jedoch nicht den Boden der Stromzufuhr 10b einschließt. Eine Leitung 128 kann optional zwischen den offenen Enden der U-förmigen leitenden Abschirmung 126 geschaltet sein. Auch ein Kondensator 109D ist zwischen der Abschirmung 126 und dem Nicht-Referenz-Eingang einer Verstärkungsschaltung auf der Schalttafel 104 geschaltet. In dieser Ausführungsform kann die leitende Abschirmung 126 eine nicht massive (Gitter) Abschirmung sein, die so ausgewählt und positioniert ist, dass sie auf die in den 3 und 4A/B beschriebene Art betrieben werden kann. Für eine nicht-massive Abschirmung ist der Wert des Kondensators 109D so gewählt, dass er wesentlich größer ist als die Parasitärkondensatoren in der Schaltung.
  • 5E ist eine seitliche Querschnittsansicht, die einen Defibrillator 100E veranschaulicht, der im Allgemeinen mit 5B vergleichbar ist. Eine innere leitende Abschirmung 132 umschließt die Schaltplatine 104. Eine äußere leitende Abschirmung 130 umschließt die Stromzufuhr 106, den Entladungskondensator 108 und die innere Abschirmung 132, die die Schalttafel 104 enthält. Zudem ist ein Kondensator 109E zwischen die externe Abschirmung 134 und den Nicht-Referenz-Eingang einer Verstärkungsschaltung auf der Schalttafel 104 gekoppelt. Wenn die externe Abschirmung 130 eine massive Abschirmung ist, ist der Kondensator 109E so dimensioniert, dass er mit der Parasitärkapazität zwischen der massiven externen Abschirmung 130 und der Schaltungs-Masseebene entspricht. Wenn die externe Abschirmung 130 jedoch eine nicht massive (Gitter) Abschirmung ist, ist der Wert des Kondensators 109E so gewählt, dass er im Wesentlichen größer ist als die Parasitärkondensatoren in der Schaltung. Auch die nicht massive Abschirmung 130 wird so ausgewählt und positioniert, dass sie auf die oben beschriebene Art betrieben werden kann.
  • Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die eigentliche Eliminierung des Gleichtaktrauschens für einen unsymmetrischen Eingang in einen Verstärker, indem die Parasitärkapazität mit einem Anpassungskondensator und zumindest einer leitenden Abschirmung angepasst wird. Obwohl manche der oben erläuterten Ausführungsformen die vorliegende Erfindung zusammen mit einer Verstärkerschaltung für einen Defibrillator verwenden, ist es vorstellbar, dass die vorliegende Erfindung auch mit einem beliebigen Typ von elektronischer Vorrichtung verwendet werden kann, die ein kleines Signal verstärkt, wie z. B. ein elektronisches Instrument, das kleine Signale misst, und elektronische Ausrüstungen in der Telekommunikation und der Tonfrequenzverstärkungsindustrie. Zudem ist es vorstellbar, dass die vorliegende Erfindung nachträglich in eine bestehende Verstärkungsschaltung eingebaut wird, um ein verbessertes CMRR-Verhältnis bereitzustellen.
  • Obwohl die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht und beschrieben worden ist, versteht es sich, dass zahlreiche Veränderungen daran vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, zu überschreiten, wenn diese mit Verweis auf die Beschreibung und die begleitenden Abbildungen interpretiert werden.

Claims (16)

  1. Vorrichtung zur Steuerung der Gleichtakt-Impedanzunsymmetrie einer isolierten unsymmetrischen, elektronischen Schaltung durch Steuerung einer Impedanz durch einen Gleichtaktstrom, der zwischen jedem Signalweg in der Schaltung und allen Rückführungswegen für den Gleichtaktstrom vorhanden ist, umfassend: (a) eine massive innere Abschirmung (46A, 46B), die zumindest einen Abschnitt der Schaltung umschließt, wobei die massive innere Abschirmung an eine Schaltungsmasse gekoppelt ist, die eine Referenz für jeden Signalweg in der Schaltung darstellt; (b) eine massive äußere Abschirmung (42), die zumindest einen Abschnitt der massiven inneren Abschirmung umschließt, die die Schaltung umschließt; und (c) einen Kondensator (40A, 40B), der zwischen die massive äußere Abschirmung und einen Nicht-Referenzeingang der Schaltung gekoppelt ist, wobei der Kondensator einen Wert aufweist, der in Bezug auf einen anderen Wert eines parasitären Kondensators (36A, 36B) bestimmt ist, der zwischen der massiven inneren Abschirmung (46A, 46B) und der massiven äußeren Abschirmung (42) gebildet ist, wodurch ein erwünschtes Verhältnis der Impedanzen von jedem Signalweg zu allen Rückführwegen für den Gleichtaktstrom bereitgestellt ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiters umfassend eine elektronische Vorrichtung, wobei die Schaltung zumindest eine Komponente der elektronischen Vorrichtung ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, weiters umfassend ein Gehäuse, das die elektronische Vorrichtung umschließt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, worin zumindest ein Abschnitt der massiven äußeren Abschirmung (42) innerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3, worin zumindest ein Abschnitt der massiven äußeren Abschirmung (42) außerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die massive innere Abschirmung (46A, 46B) an das Gegengewicht für die Schaltung gekoppelt ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Kondensator (40A, 40B) eine diskrete Komponente ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, weiters umfassend ein Verhältnis relativ gleich 1 für einen Wert des diskreten Kondensators (40A, 40B) gegenüber einem Wert für jede Parasitärkapazität, wodurch dem Gleichtaktstrom eine symmetrische Impedanz dargeboten wird.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Kondensator aus einer weiteren massiven Abschirmung gebildet ist, die zwischen der massiven äußeren Abschirmung und der massiven inneren Abschirmung angeordnet ist, wobei die weitere massive Abschirmung eine Größe aufweist, die relativ kleiner als eine Größe der massiven inneren Abschirmung oder eine Größe der massiven äußeren Abschirmung ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiters umfassend eine Vielzahl von Nicht-Referenzsignalwegen in der Schaltung, wobei ein seperater Kondensator zwischen die massive äußere Abschirmung und jeden Nicht-Referenzsignalweg gekoppelt ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die elektronische Schaltung eine Eingangsschaltung ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die elektronische Schaltung eine Ausgangsschaltung ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die massive äußere Abschirmung (42) aus einem Gittermaterial gebildet ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die massive äußere Abschirmung (42) aus einem ununterbrochenen Material gebildet ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die massive innere Abschirmung (46A, 46B) aus einem Gittermaterial gebildet ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die massive innere Abschirmung (46A, 46B) aus einem ununterbrochenen Material gebildet ist.
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