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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.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ABBILDUNGEN
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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:
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1A–1D Versuche, durch eine Verstärkungsschaltung
abgefühltes
Gleichtaktrauschen zu reduzieren, nach dem Stand der Technik veranschaulichen;
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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;
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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;
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3 ein
schematisches Betriebsmodell der Verstärkungsschaltung für kleine
Signale mit einer Netz- oder einer groben Gitterabschirmung darstellt;
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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;
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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;
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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;
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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;
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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;
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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
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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.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusätzlich ist ein Ende eines Kondensators 64 (Schaltungs-Masseebene/Erdboden-Parasitärkapazität) an den
Anschluss F (Schaltungsmasse) gekoppelt und das andere Ende an das
Erdpotential.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die 5A–5E 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.