DE60021433T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Gleichtaktimpedanzasymmetrie einer isolierten unsymmetrieschen Schaltung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Gleichtaktimpedanzasymmetrie einer isolierten unsymmetrieschen Schaltung Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Rauschreduktion in Schaltungsanordnungen und im Besonderen die Reduktion von Gleichtaktrauschen, das von einem Verstärker, etwa einem Eintakt-Verstärker, abgefühlt wird, indem zumindest eine Abschirmung für den Verstärker bereitgestellt und ein kapazitives Element zwischen der Abschirmung und einem Eingang in den Verstärker gekoppelt wird, sodass zwischen den Eingängen des Verstärkers und jedem Rückleitungsweg für einen Gleichtaktstrom eine symmetrierte Impedanz geschaffen wird.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Qualität des von einem Verstärker zur Verstärkung eines Kleinsignals erzeugten Ausgangssignals ist gegenüber Gleichtaktrauschen sehr empfindlich, da zur Erzeugung eines brauchbaren Spannungspegels aus dem relativ niedrigen Spannungspegel des Kleinsignals ein relativ hoher Verstärkungsfaktor benötigt wird. Beispielsweise muss der Verstärker für ein Kleinsignal mit einem Maximalpegel von 10 Millivolt eine 500fache Verstärkung bereitstellen, um ein Ausgangssignal, das das verstärkte Kleinsignal wiedergibt, mit einem brauchbareren Spannungspegel von 5 Volt zu erzeugen.
  • Gleichtaktrauschen ist oft die Hauptrauschquelle in einem Ausgangssignal, das aus einem Kleinsignal erzeugt wird, welches zur Verstärkung an die Eingänge eines Verstärkers geführt wurde. So ist beispielsweise die Qualität eines Ausgangssignals aus einem Eintakt-Verstärker für Gleichtaktrauschen anfällig. Gleichtaktsignale können bestehen, wenn ein Schaltkreis eine Schleife umfasst, die es einem Strom erlaubt, von der Quelle der Gleichtaktsignale durch alle betreffenden Signalwege zu fließen und über einen Nicht-Signalweg zur Quelle der Gleichtaktsignale zurückzukehren. Typischerweise werden Gleichtaktsignale durch elektrische Felder oder Gradienten erzeugt, die entweder in allen betreffenden Signalwegen oder in einem beliebigen anderen Nicht-Signalweg in die Schaltkreisschleife oder in beides eingekoppelt werden. Diese Gleichtaktsignale führen dazu, dass Gleichtaktströme durch die Gleich taktschaltkreisschleife fließen. Jedwede Impedanzunsymmetrie zwischen den Signalen führt dazu, dass der Gleichtaktstrom eine Differenzspannung zwischen den eine Unsymmetrie aufweisenden Leitungen erzeugt. Daraus ergibt sich, dass im Ausgangssignal des Verstärkers gemeinsam mit dem betreffenden Signal auch Gleichtaktrauschartefakte gegenwärtig sind.
  • Bisher wurden auf dem Gebiet der Erfindung mehrere Versuche unternommen, das Problem der Beseitigung oder der Unterdrückung des Gleichtaktrauschens, das am Eingang eines Verstärkers gegenwärtig ist, so zu lösen, dass das vom Verstärker erzeugte Ausgangssignal ein hohes Verhältnis von Kleinsignal zu Gleichtaktrauschen, d.h. ein verbessertes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR), aufweist. Die Versuche nach dem Stand der Technik umfassen die folgenden:
    • (1) Die Reduktion der Auswirkung der Änderung eines äußeren elektrischen Felds durch das physische Wegversetzen der Quelle des Kleinsignals vom elektrischen Feld;
    • (2) das Verwenden eines separaten Differenzverstärkers zur Anhebung des CMRR durch die Umwandlung eines Eintakt-Eingangs in den Verstärkers in einen Differenzeingang;
    • (3) die elektrische Isolierung des Verstärkers zur Anhebung des CMRR; und
    • (4) die Verbesserung des CMRR durch das Anheben der Gegentaktimpedanz und das gleichzeitige Senken der Gleichtaktimpedanz, indem eine zusätzliche Schaltung hinzugefügt wird, welche aktive Bauteile, wie etwa Operationsverstärker, umfasst.
  • In 1A ist ein schematischer Überblick 10 eines elektronischen Schaltkreises zur Verstärkung eines Signals mit einem nicht isolierten Eintakt-Verstärker nach dem Stand der Technik veranschaulicht. Ein Ende einer Gleichtaktrauschquelle 18 ist über eine parasitäre Kapazität 15 erdgekoppelt, während ein anderes Ende der Rauschquelle an einer Kleinsignalquelle 16 angeschlossen ist. Die Kleinsignalquelle 16 ist durch ihre Quellenimpedanzelemente (dargestellt durch einen Widerstand 22 und einen Widerstand 24) an einen Eingang eines Eintakt-Verstärkers 12 sowie an den Referenzeingang für den Verstärker gekoppelt. Die nicht isolierte Spannungsversorgung (nicht dargestellt) des Verstärkers ist sowohl mit Erde als auch mit Schaltkreis-Masse verbunden. Die Impedanz für den Gleichtaktstrom ist in den Leitungssignalen unsymmetrisch. Dies führt dazu, dass fast der gesamte Gleichtaktstrom durch den Widerstand 24 fließt, was an den Widerständen 22 und 24 zu unterschiedlichen Spannungsabfällen führt. Der Unterschied der Spannungsabfälle wird zur Signalquelle 16 hinzuaddiert und bildet ein Artefakt im Ausgangssignal. Da die Referenz für den Verstärker an die Schaltkreis-Masse gekoppelt ist, ist am Eingang des Verstärkers keine Gleichtaktspannung, wie in den nachstehenden 1B und 1C, gegenwärtig.
  • 1B ist eine schematische Übersicht 26, die einen Differenzverstärkerschaltkreis veranschaulicht, der zwei (invertierend- und nicht-invertierend-) Eingänge verwendet, um die Signalquelle anzuschließen und die Rauschquelle 15 für beide Eingänge gleich wirken zu lassen. Eine Signalquelle 16 ist durch ihre Quellenimpedanzelemente (dargestellt durch die Widerstände 22 und 24) an beide Eingänge des Verstärkers 20 angekoppelt. Die Rauschquelle 18 ist über die parasitäre Kapazität erdgekoppelt. Die Rauschquelle 18 ist auch an der Signalquelle 16 angeschlossen und ist an beiden Eingängen des Verstärkers gegenwärtig. Die nicht isolierte Spannungsversorgung (nicht dargestellt) des Verstärkers ist sowohl mit der Erde als auch der Schaltkreis-Masse gekoppelt.
  • Obwohl der Schaltkreis nach dem Stand der Technik aus 1B das CMRR verbessert, sorgt er nur für eine relativ kleine Gleichtaktimpedanz, und dieser Schaltkreis ermöglicht es, das Gleichtaktspannungssignal durch beide Eingänge des Verstärkers einzuprägen. Ist das Gleichtaktspannungssignal größer als die Versorgungsspannung des Verstärkers, so ist der Verstärker gesättigt und verstärkt das an den Eingängen eingeprägte Kleinsignal nicht mehr.
  • In 1C veranschaulicht eine schematische Übersicht 30 einen Differenzverstärkerschaltkreis nach dem Stand der Technik, der im Wesentlichen dem in 1B gezeigten Schaltkreis ähnlich ist. In diesem Fall wird eine isolierte Spannungsversorgung (nicht dargestellt) verwendet, um den Verstärker 20 mit Energie zu beaufschlagen. Eine parasitäre Kapazität (dargestellt durch die Kapazität 28) wird durch die Nähe der Massefläche der Vorrichtung zur Erde erzeugt. Obwohl durch das Anheben der Gleichtaktimpedanz der Gleichtaktstrom gemindert wird, ist das Gleichtaktsignal noch immer zumindest teilweise an allen Eingängen des Verstärkers gegenwärtig, da sowohl eine Verbindung mit der Erde durch die Kapazität 28 als auch eine andere Verbindung mit der Schaltkreis-Masse vorliegt. Wie auch bei der in 1B gezeigten Schaltung können diese Gleichtaktsignale den Gleichtakteingangsbereich des Verstärkers überschreiten und so zu Fehlern im Ausgang führen. Allerdings funktioniert dieser Schaltkreis bei höheren Gleichtaktsignalpegeln als jenen aus 1B noch korrekt. Ein Nachteil dieses Schaltkreises nach dem Stand der Technik liegt darin, dass keiner der Eingänge tatsächlich als externe Referenz für Merkmale, wie etwa eine serielle Ausgabe, verwendet werden kann, da beide Eingänge in Bezug auf die Schaltkreis-Masse erdfrei sind.
  • 1D veranschaulicht einen schematischen Überblick 32 eines Verstärkungsschaltkreises nach dem Stand der Technik, der im Wesentlichen dem aus 1A ähnlich ist. In diesem Fall wird aber der Verstärker 12 so wie in 1C durch eine isolierte Spannungsversorgung (nicht dargestellt) mit Energie beaufschlagt. Eine parasitäre Kapazität (dargestellt durch die Kapazität 28) wird durch die Nähe der Massefläche der Vorrichtung zur Erde erzeugt. Allerdings ist die Impedanz gegenüber dem Gleichtaktstrom, so wie in 1A, in den Signalleitungen unsymmetrisch. Dies führt dazu, dass fast der gesamte Gleichtaktstrom durch den Widerstand 24 fließt, was an den Widerständen 22 und 24 zu unterschiedlichen Spannungsabfällen führt. Der Unterschied der Spannungsabfälle wird zur Signalquelle 16 hinzuaddiert und bildet ein Artefakt im Ausgangssignal. Da die Referenz für den Verstärker an die Schaltkreis-Masse gekoppelt ist, ist am Eingang des Verstärkers keine Gleichtaktspannung, wie in den 1B und 1C, gegenwärtig.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Verwendung der in 1D dargestellten Konfiguration und der Vorteile, die diese mit sich bringt, beseitigt aber das Problem der unsymmetrischen Impedanzen gegenüber den Gleichtaktströmen in den Signalleitungen. Dies geschieht durch das Umgeben der elektronischen Schaltungsanordnung mit zwei Abschirmungen – einer massiven inneren Abschirmung, die mit der Schaltkreis-Masse und dem Referenzeingang verbunden ist, und einer äußeren Gitterabschirmung, die mit einem Nicht-Referenzsignalweg im Schaltkreis verbunden ist, so wie in Anspruch 1 definiert ist. Auf diese Weise ermöglicht die Erfindung gegebenenfalls die Verstärkung eines betreffenden Kleinsignals auf einen brauchbaren Spannungspegel, ohne dabei ein Ausgangssignal zu erzeugen, das zudem eine relativ große Komponente an Gleichtaktrauschen umfasst.
  • In einer Ausführungsform umfasst die vollständige Abschirmung eine weitere Abschirmung, die zumindest einen Abschnitt des Verstärkers im Schaltkreis abdeckt. Die andere Abschirmung ist an die Massefläche des Schaltkreises angeschlossen und kann von den anderen Bauteilen der Schaltungsanordnung isoliert sein. Es ist vorgesehen, dass die andere Abschirmung aus einem großmaschigen, leitfähigen Material hergestellt ist.
  • Auch ist vorgesehen, dass eine weitere Verbindung zwischen der äußersten Abschirmung und einer Kleinsignalquelle hergestellt ist. Diese Verbindung kann einen Weg mit niedrigerer Impedanz auf einem Gleichtaktstrom bereitstellen und somit die Wahrscheinlichkeit einer Umwandlung von Gleichtakt- zu Gegentakt-Signal senken. Außerdem versteht sich, dass die vorliegende Erfindung auch auf andere Schaltungsanordnungen, die andere Schaltkreise beinhalten, beispielsweise ein A/D-Wandler, angewendet werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die vorangegangenen Aspekte und zahlreiche Vorteile dieser Erfindung treten deutlicher zutage, wenn die folgende zum besseren Verständnis dienende detaillierte Beschreibung gemeinsam mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen:
  • die 1A1D die Versuche nach dem Stand der Technik veranschaulichen, das von einem Verstärker abgefühlte Gleichtaktrauschen zu reduzieren;
  • 2A die vollständige innere und äußere Abschirmung mit der zwischen den Abschirmungen angeordneten parasitären Kapazität und der hinzugefügten, zur parasitären Kapazität passenden diskreten Kapazität veranschaulicht;
  • 2B eine 2A ähnliche Abbildung ist, aber veranschaulicht, dass die innere Abschirmung nicht vollständig die Schaltungsanordnung umgeben muss – was bei einer Massefläche der Fall wäre –, wenn die Rauschemissionen und die Empfindlichkeit des Schaltkreises in dieser Konfiguration eine annehmbare Größe aufweisen;
  • 3 ein schematisches Modell des Betriebs des Kleinsignal-Verstärkungsschaltkreises mit einer Gitterabschirmung oder einer grobmaschigen Abschirmung ist;
  • 4A die äußere Gitterabschirmung mit einer vollständigen inneren Abschirmung gemeinsam mit der parasitären und dem diskreten Kapazität zeigt, die in dieser Ausführungsform ausgebildet oder hinzugefügt wurden;
  • 4B eine 4A ähnliche Abbildung ist, aber veranschaulicht, dass die innere Abschirmung nicht vollständig die Schaltungsanordnung umgeben muss – was bei einer Massefläche der Fall wäre –, wenn die Rauschemissionen und die Empfindlichkeit des Schaltkreises in dieser Konfiguration eine annehmbare Größe aufweisen; und
  • 5 eine Querschnittsansicht von der Seite ist, die einen Defibrillator mit einer internen "inneren" Abschirmung, welche die Leiterplatte umgibt, und einer internen "äußeren" Abschirmung, welche die innere Abschirmung umgibt, der Spannungsversorgung und der Entladungskapazität sowie mit einer Kapazität, die zwischen der internen "äußeren" Abschirmung und dem Signaleingang der Leiterplatte eingekoppelt ist, zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Symmetrierung der Impedanz gegenüber einem Gleichtaktstrom in den von einer Signalquelle kommenden Signalleitungen bereit. Durch die Bereitstellung einer inneren und äußeren Abschirmung rund um einen elektronischen Schaltkreis und das Hinzufügen einer Impedanz zwischen der äußeren Abschirmung und den nicht vom Schaltkreis für eine Referenz verwendeten Signalleitungen ist es möglich, die Impedanz auf dem Gleichtaktstrom für alle Signalleitungen zu symmetrieren. Diese symmetrierte Impedanz gegenüber Gleichtaktströmen führt zu symmetrierten Gleichtaktströmen in allen Signalleitungen, was wiederum zu einer Nicht-Umwandlung der Gleichtaktsignale in Gegentaktsignale an den Eingängen der elektronischen Schaltungsanordnung mit sich bringt. So wird eine Wirkung erzielt, die das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) einer Verstärkungsschaltung verbessert, aber nicht von den Eigenschaften des Verstärkers oder der zugeordneten Schaltungen abhängt.
  • In der folgenden Beschreibung der Erfindung wird die Erfindung mit massiven und Gitterabschirmungen beschrieben. Eine massive Abschirmung ist eine Abschirmung, die aus einem durchgehenden Stück eines leitenden Materials mit Mindestanzahl an Rissen oder Löchern im leitenden Material, beispielsweise dort, wo die Eingänge in die Abschirmung hinein geführt sind, hergestellt ist. Eine Gitterabschirmung ist eigentlich ein massives Material mit großen Durchbrechungen oder Löchern in der leitenden Schicht. Die Wirkung besteht darin, dass elektrische Felder zwar die Gitterabschirmung "durchdringen" können, nicht aber die massive Abschirmung. Eine Gitterabschirmung kann durch eine Maschenabschirmung ersetzt werden, die typischerweise aus gewebten, leitenden Elementen besteht. Ist das Gewebe sehr dicht (d.h. sind sehr kleine oder gar keine Löcher im Gewebe), so wirkt die Maschenabschirmung ähnlich wie die massive Abschirmung. Ist das Gewebe hingegen sehr locker (d.h. sind große Löcher im Gewebe), so wirkt die Maschenabschirmung ähnlich wie eine Gitterabschirmung. Die Verwendung einer Maschenabschirmung ist in der folgenden Beschreibung optional, wobei es sich versteht, dass eine passende Art von Maschenmaterial verwendet werden muss, um die Gitterabschirmung zu ersetzen.
  • Die vorliegende Erfindung setzt voraus, dass die abgeschirmte Schaltungsanordnung von der Erde isoliert ist. Zwei Möglichkeiten, wie dies umgesetzt werden kann, bestehen einerseits in der Isolierung der gesamten Vorrichtung, die die abgeschirmte Schaltungsanordnung umfasst, und andererseits in der Verwendung einer Isoliersperre zwischen der Schaltungsanordnung, die nicht von der Erde isoliert ist, und der abgeschirmten Schaltungsanordnung. Die zweite Art der Umsetzung verlangt isolierte Stromversorgungen und Datenübertragungsschaltungsanordnungen. Die vorliegende Erfindung kann mit beiden Arten der Umsetzung verwendet werden.
  • Die 2A und 2B stellen Beispiele dar, die auf dem Prinzip des Anpassens einer diskreten Kapazität an die parasitäre Kapazität, die zwischen der Abschirmung und entweder der Massefläche oder einer internen Abschirmung ausgebildet ist. In 2A ist eine schematische Übersicht 34 einer massiven "äußeren" Abschirmung 42 bereitgestellt, die eine massive "interne" Abschirmung 46A umgibt, welche wiederum den Verstärker 26 umgibt. Ein Ende der Rauschquelle 18 ist an eine Kapazität 15 gekoppelt, die eine parasitäre Kapazität zwischen der Erde und der Rauschquelle darstellt. Ein anderes Ende der Rauschquelle 18 ist am Anschluss A parallel an ein Ende einer widerstandsbehafteten Leitung (dargestellt durch den Widerstand 22) und an ein Ende der anderen widerstandsbehafteten Leitung (dargestellt durch den Widerstand 24) gekoppelt. Ein anderes Ende des Widerstands 22 ist an den Eingang des Verstärkers 26 und ein anderes Ende des Widerstands 24 ist an die Referenz des Verstärkers gekoppelt, die ebenfalls an Schaltkreis-Masse gelegt ist. Zudem ist ein Kleinsignal zur Verstärkung durch eine Kleinsignalquelle (nicht dargestellt) bereitgestellt, die zwischen den Widerständen 22 und 24 zwischengeschaltet ist.
  • Eine massive äußere Abschirmung 42, die aus einem leitenden Material hergestellt ist, umgibt die massive innere Abschirmung 46A und den Verstärker 26. Eine Kapazität 36A ist zwischen der massiven inneren Abschirmung 46A und der massiven äußeren Abschirmung 42 eingekoppelt und stellt die parasitäre Kapazität der inneren Abschirmung zur äußeren Abschirmung dar. Eine Kapazität 38A ist zwischen der massiven äußeren Abschirmung 42 und der Erde eingekoppelt und stellt die parasitäre Kapazität der massiven äußeren Abschirmung zur Erde dar. Eine diskrete Kapazität 40A ist zwischen der massiven äußeren Abschirmung 42 (am Anschluss B) und dem Eingang (am Anschluss C) des Verstärkers angeschlossen. Der Wert (Farad) der Kapazität 40A ist gewählt, dass er an die durch die Nähe der inneren Abschirmung 46A und der äußeren Abschirmung 42 gebildete Kapazität, die durch die Kapazität 36A dargestellt ist, angepasst ist, sodass an allen Eingängen (einschließlich des Referenzeingangs) des Verstärkers 26 eine symmetrische Impedanz gegenüber den Gleichtaktsignalen gegenwärtig ist. Auf diese Weise stellt die Vorrichtung eine relativ symmetrische Impedanz zwischen den Eingängen des Verstärkers 26 und jedem der Rückleitungswege für den Gleichtaktstrom bereit. Zudem ist die Kapazität 40A für eine maximale Nennspannung ausgelegt, die für alle auftretenden Fälle im Schaltkreis vorherrschen kann, d.h. ein in die Schaltungsanordnung der vorliegenden Erfindung eingeschalteter Hochspannungskreis benötigt gegebenenfalls eine Spannungsfestigkeit der Kapazität von über 5000 V. Obwohl dies nicht dargestellt ist, versteht es sich, dass der Verstärkerschaltkreis 26 im Inneren der inneren Abschirmung 46A durch andere elektronische Schaltkreise ausgetauscht werden kann, so kann z.B. ein A/D-Wandler die vorliegende Erfindung dazu verwenden, den Effekt von externen Rauschquellen auf getastete Eingangssignale zu reduzieren.
  • Obwohl nicht dargestellt, ist vorgesehen, dass anstelle einer angepassten Kapazität 40A ein angepasster Widerstand zwischen der äußeren Abschirmung 42 und der inneren Abschirmung 46A eingekoppelt werden könnte, um die unsymmetrierte parasitäre Kapazität zu kompensieren. In einem anderen Beispiel könnte ein angepasster Widerstand (nicht dargestellt) mit der angepassten Kapazität 40A zwischen der äußeren Abschirmung 42 und der inneren Abschirmung 46A in Reihe geschaltet werden. In diesem Fall führt, wenn die angepasste Kapazität 40A in einer geschlossenen Position versagt hat, der angepasste Widerstand die Symmetrierung der Impedanz auf den Gleichtaktsignalen fort, wenn auch mit einer geringeren Leistung im Vergleich zu jener, die mit der angepassten Kapazität erzielt wird.
  • Es ist vorgesehen, dass mit der Vorrichtung ein Hochspannungsschaltkreis, beispielsweise ein Defibrillatorschaltkreis, verwendet wird. Ein optionaler Defibrillatorschaltkreis ist durch eine punktierte Linie dargestellt, ist von der massiven inneren Abschirmung 46A umgeben und umfasst eine zwischen der Schaltkreis-Masse und einer Induktivität 39 eingekoppelte Spannungsentladungskapazität 39. Durch punktierte Linien ist ein Schalter 41 veranschaulicht, um die Kapazität 37 und die Induktivität 39 optional an den mit dem Widerstand 22 verbundenen Eingang zum Zweck der Defibrillation anzuschließen. Auf diese Weise kann der Verstärker 26 ein Kleinsignal am Anschluss A, beispielsweise ein Elektrokardiogramm-Signal abfühlen, bis beschlossen wird, den Schalter 41 zu verwenden, um eine Wellenform aus der Defibrillationsschaltung über die widerstandsbehafteten Leitungen (Widerstände 22 und 24) an einen Patienten abzugeben. Die Widerstände 22 und 24 stellen die Quellenwiderstände dar, die in einem Patienten gegenwärtig sind und als solche Teil des Patienten oder zumindest einer Kombination aus dem Patienten und einem über die widerstandsbehafteten Leitungen mit dem Patienten gekoppelten Elektrodenpaar sind.
  • Optional sind ein Überspannungsschutz 45 (punktiert hervorgehoben) und ein Widerstand 44 (punktiert hervorgehoben) oder nur ein Überspannungsschutz 45 zwischen der äußeren Abschirmung 42 und der inneren Abschirmung 46A, die mit der Schaltkreis-Masse verbunden ist, in Reihe geschaltet, wenn die Abschirmungen gegenüber den im Schaltkreis gegenwärtigen Spannungspegeln nicht isoliert werden können. Der Überspannungsschutz 45 und der Widerstand 44 haben keine Auswirkungen auf das CMRR oder die Kapazitäten im Schaltkreis. Sie spielen aber dann im Schaltkreis eine Rolle, wenn es zu einem Spannungsstoß kommt. Wird beispielsweise die Vorrichtung in einem Gerät, wie etwa einem Defibrillator, verwendet, könnte die Abschirmung potentiell bis auf eine Hochspannung von 5000 Volt oder mehr geladen werden. Durch die Verwendung des Überspannungsschutzes 45 und des Widerstands 44 könnte während der Entladung des Defibrillators die Spannung an der Abschirmung auf eine Größenordnung von etwa 100 Volt geklemmt werden. Der Wert (Ohm) des Widerstands 44 ist so gewählt, dass er die Menge des Einschaltstroms, der durch den Überspannungsschutz fließen kann, beschränkt. In einem Beispiel ist der Überspannungsschutz 45 gegebenenfalls eine "Gasspalt"-Vorrichtung mit einer maximalen Nennspannung von 90 Volt, während der Widerstand 44 gegebenenfalls einen Wert von 4000 Ohm aufweist. In diesem Beispiel muss die massive äußere Abschirmung 42 nur so konstruiert sein, um Höchstspannungen standhalten zu können, die nur etwas höher als die Nennspannung des Überspannungsschutzes 45, z.B. 90 Volt, sind, und nicht gleich der Nennspannung des Hochspannungsschaltkreises, die bis zu 5000 Volt betragen kann. Obwohl dies in den nachstehend erörterten Figuren nicht dargestellt ist, können der Widerstand 44 und der Überspannungsschutz 45 auch zwischen der Schaltkreis-Masse und einer (massiven oder Gitter-) Abschirmung, die in einer der nachstehend angeführten Konfigurationen angeordnet ist, in Reihe geschaltet sein.
  • In einem weiteren Beispiel kann eine andere Verbindung zwischen der massiven äußeren Abschirmung 42 und dem Anschluss A über einen Reihenwiderstand 23 (durch gestrichelte Linien dargestellt) hergestellt sein. Diese Verbindung stellt einen sehr viel kleineren Impedanzweg für den Gleichtaktrauschstrom bereit, da dieser Strom nicht durch die Kapazitäten 36A und 40A fließen muss. Dadurch wird der Gleichtaktrauschstrom wirksam an den Widerständen 22 und 24 vorbeigeführt, was zu einem sehr viel kleineren Spannungsabfall an diesen Widerständen führt und somit die Wahrscheinlichkeit einer Umwandlung von Gleichtakt- zu Gegentakt-Signal senkt.
  • Zudem kann das Verbindungsmedium zwischen der Signalquelle und der elektronischen Schaltungsanordnung abgeschirmt sein, beispielsweise durch die Verwendung eines abgeschirmten Kabels. In diesem Fall sollte die Abschirmung eines jeden aus der Quelle geführten Kabels mit der äußeren Abschirmung verbunden sein.
  • Mit Bezug auf 2B veranschaulicht eine schematische Übersicht eine massive Abschirmung, die einen Verstärkungsschaltkreis umgibt, welcher im Allgemeinen mit dem in 2A gezeigten Schaltkreis vergleichbar ist. Die Ausnahme besteht darin, dass in diesem Fall die interne massive Abschirmung 46B als Massefläche vorgesehen ist und somit den Verstärker 26 nicht vollständig umgibt. Eine diskrete Kapa zität 40B ist zwischen der äußeren Abschirmung 42 und dem Nicht-Referenzeingang des Verstärkers 26 eingekoppelt. Der Wert (Farad) der Kapazität 40B ist so gewählt, dass er an die durch die Nähe der inneren Abschirmung 46B und der äußeren Abschirmung 42 gebildete parasitäre Kapazität, die durch die Kapazität 36B dargestellt ist, angepasst ist, sodass an allen Eingängen (einschließlich des Referenzeingangs) des Verstärkers 26 eine symmetrierte Impedanz gegenüber den Gleichtaktsignalen gegenwärtig ist. Auf diese Weise stellt die Vorrichtung eine relativ symmetrische Impedanz zwischen den Eingängen des Verstärkers 26 und jedem der Rückleitungswege für den Gleichtaktstrom bereit.
  • 3 ist eine Darstellung der diskreten Bauteile und parasitären Kapazitäten in einer Verstärkerschaltung 66, die eine nicht-massive, d.h. eine Gitterabschirmung zur Verwendung mit einem elektronischen Schaltkreis, wie beispielsweise einem Defibrillator, bereitstellt. Gleichtaktrauschen kann an jedem beliebigen Punkt in die Schleife eingeführt werden; zwei Gleichtaktquellen ergeben sich aus einem Betreiber und/oder einem an den elektronischen Schaltkreis angeschlossenen Patienten. Eine Ende der Betreiberrauschquelle 72 ist über eine parasitäre Kapazität 74 erdgekoppelt, während ein anderes Ende der Betreiberrauschquelle in Parallelschaltung mit einem Ende einer Kapazität 68 (parasitäre Kapazität zwischen Betreiber und Abschirmung) und einem Ende einer Kapazität 70 (parasitäre Kapazität zwischen Betreiber und Schaltkreis) gekoppelt ist. Das andere Ende der Kapazität 68 ist mit einer nicht-massiven Abschirmung am Anschluss E und das andere Ende der Kapazität 70 mit der Schaltkreis-Masse am Anschluss F gekoppelt. Die Verbindungen zwischen der Betreiberrauschquelle 72, der Kapazität 68, der Kapazität 70, der nicht-massiven Abschirmung und der Schaltkreis-Masse sind durch gestrichelte Linien dargestellt, die darauf hinweisen, dass diese Bauteile gegenwärtig sind, wenn ein Betreiber Geräte, die dem Schaltkreis (in der Nähe oder diesen berührend) zugeordnet sind, benutzt.
  • Ein Ende der Kapazität 38 (parasitäre Kapazität zwischen Abschirmung und Erde) ist erdgekoppelt, und ein anderes Ende ist mit der nicht-massiven Abschirmung am Anschluss E gekoppelt. Ein Ende der Kapazität 36 (parasitäre Kapazität zwischen Abschirmung und Schaltkreis-Massefläche) ist mit dem Anschluss E (nicht-massive Abschirmung) gekoppelt, und ein anderes Ende ist mit der Schaltkreis-Masse am Anschluss F gekoppelt. Ein Ende einer diskreten Kapazität 41 (zwischen Abschirmung und Verstärker) ist mit dem Anschluss E (Abschirmung) gekoppelt, und ein anderes Ende ist mit dem Nicht-Referenzeingang des Verstärkers 20 und einem Ende des Widerstands 22 gekoppelt. Das andere Ende des Widerstands 22 ist mit einem Ende des Widerstands 24 und einem Ende einer Patientenrauschquelle 76 gekoppelt. Weiters ist das andere Ende der Patientenrauschquelle 76 mit einem Ende einer Kapazität 78 (parasitäre Kapazität zwischen Patienten und Erde) gekoppelt. Das andere Ende der Kapazität ist erdgekoppelt.
  • Zudem ist ein Ende einer Kapazität 64 (parasitäre Kapazität zwischen Schaltkreis-Massefläche und Erde) mit dem Anschluss F (Schaltkreis-Masse) gekoppelt, während das andere Ende erdgekoppelt ist.
  • Durch die Verwendung einer nicht-massiven Abschirmung ergeben sich einige Überlegungen, die sich von denen bei der Verwendung einer massiven (vollständigen) Abschirmung für einen Defibrillator, so wie oben erörtert wurde, unterscheiden. Durch das Ignorieren des Effekts eines Betreibers (Betreiberrauschquelle 72 und die Kapazitäten 68, 70 und 74) muss der aus der Patientenrauschquelle 76 durch die Widerstände 22 und 24 fließende Strom für beide Widerstände symmetriert werden. Das bedeutet, dass die von der Patientenrauschquelle 76 zurück zur Erde hin gesehene Impedanz die gleiche sein muss wie die an den anderen Enden der Widerstände 22 und 24. Um diese Impedanz ohne die Verwendung der diskreten Kapazität 41 zu symmetrieren, muss der Wert der Kapazität 38 (parasitäre Kapazität zwischen Abschirmung und Erde) dem Wert der Kapazität 64 (parasitäre Kapazität zwischen Schaltkreis-Masse und Erde) entsprechen. In Fällen, in denen es sich schwierig gestaltet, die Kapazitäten 38 und 64 anzupassen, kann eine diskrete Kapazität 41 mit der Kapazität 38 in Reihe geschaltet werden, sodass die reihengeschaltete Kombination der Kapazitäten 38 und 41 dem Wert der Kapazität 64 entspricht.
  • Zweitens muss, was nun die Auswirkungen des Betreibers (Betreiberrauschquelle 72 und Kapazitäten 68 und 70) betrifft, das Verhältnis der Werte der Kapazität 68 zur Kapazität 38 dem Verhältnis der Werte der Kapazität 70 zur Kapazität 64 entsprechen. Dadurch dass diese Verhältnisse gleich gemacht werden, ist auch die von der Betreiberrauschquelle 72 an den Eingängen des Verstärkers erzeugte Spannung gleich. Da der Wert der diskreten Kapazität 41 zwischen Abschirmung und Verstärker größer gewählt ist als jener der anderen parasitären Kapazitäten, liegt ein relativ kleiner Spannungsabfall an der diskreten Kapazität 41 vor und die Symmetrierung der Verhältnisse ergibt relativ symmetrische Spannungen an den Eingängen des Verstärkers 20. Es sind zwei Spannungsteiler, einer an jeder Seite des "H-Brücken"-Schaltkreises, gegenwärtig, und während die Impedanzen in jedem Zweig nicht gleich sein müssen, müssen die Verhältnisse von oben nach unten gleich sein, um die Brücke zu symmetrieren. Da in der Ausführungsform mit der nicht-massiven Abschirmung die parasitäre Kapazität zwischen Abschirmung und Schaltkreis-Masse (Kapazität 36) nicht von Bedeutung ist, ist die diskrete Kapazität 41 zwischen Abschirmung und Verstärker nicht so gewählt, dass sie an den Wert der Kapazität 36 angepasst ist.
  • Die 4A und 4B veranschaulichen die Ausführungsformen mit Gitterabschirmung, die auf eine andere Weise als die in den 2A und 2B gezeigten Beispiele funktionieren. In 4A veranschaulicht ein schematischer Überblick 50 eine "äußere" Gitterabschirmung 54, die eine "interne" massive Abschirmung 58A umgibt, welche ihrerseits wiederum den Verstärker umgibt. Ein Ende der Rauschquelle 18 ist über eine Kapazität 15 (parasitäre Kapazität zwischen Rauschquelle und Erde) gekoppelt. Ein anderes Ende der Rauschquelle ist am Anschluss A in Parallelschaltung mit einem Ende der widerstandsbehafteten Leitung (dargestellt durch den Widerstand 22) und einem Ende der anderen widerstandsbehafteten Leitung (dargestellt durch den Widerstand 24) gekoppelt. Ein anderes Ende des Widerstands 22 ist mit dem Nicht-Referenzeingang des Verstärkers 20 gekoppelt, während ein anderes Ende des Widerstands 24 mit der Schaltkreis-Masse gekoppelt ist, bei der es sich gleichzeitig um den Referenzeingang des Verstärkers handelt. zudem ist am Anschluss A (nicht dargestellt) eine Kleinsignalquelle 16 in Reihenschaltung zwischen den Enden der Widerstände 22 und 24 eingekoppelt, und diese Quelle stellt ein Kleinsignal für die Verstärkung bereit.
  • Eine Gitterabschirmung 54, die aus einem leitenden Material hergestellt ist, umgibt die massive innere Anschirmung 58A, welche wiederum den Verstärker 20 umgibt. Eine Kapazität 36C (parasitäre Kapazität zwischen äußerer Gitterabschirmung und massiver innerer Abschirmung) ist zwischen der massiven inneren Abschirmung 58A und der äußeren Gitterabschirmung 54 eingekoppelt. Eine Kapazität 38B (parasitäre Kapazität zwischen Gitterabschirmung und Erde) ist zwischen der Gitterabschirmung und Erde eingekoppelt. Weiters ist eine Kapazität 52A (parasitäre Kapazität zwischen massiver innerer Abschirmung und Erde) zwischen der massiven inneren Abschirmung und der Erde eingekoppelt.
  • Eine diskrete Kapazität 41A ist zwischen der Gitterabschirmung 54 und dem Nicht-Referenzeingang des Verstärkers 20 eingekoppelt. Die Gitterabschirmung ist so gewählt und angeordnet, dass die Gesamtverhältnisse der Kapazitäten so wie Oberflächen bei der Beschreibung von 3 symmetriert sind. Somit ist eine relativ symmetrische Impedanz zwischen den Eingängen des Verstärkers und allen Rückleitungswegen für den Gleichtaktstrom bereitgestellt.
  • Die Feinheit der Abstände in der Gitterabschirmung 54 ist vorzugsweise so gewählt, dass sie geringer als die relative "Punktförmigkeit" eines angelegten elektrischen Feldes einer Rauschquelle ist, z.B. eines Fingers eines Benutzers. Auf diese Weise wird die parasitäre Kapazität, die durch die Nähe des Fingers in Bezug auf die Gitterabschirmung erzeugt wird, durch die parasitäre Kapazität, die zwischen dem Finger und den Bauteilen des Verstärkungsschaltkreises, einschließlich der Schaltkreis-Massefläche, erzeugt wird, symmetriert. Die Abstände in der Gitterabschirmung sind gegebenenfalls so groß, dass ein einen Finger umgebendes elektrisches Feld auf mehrere Zwischenräume in der Gitterabschirmung auftrifft.
  • Auch die Dünne des die Gitterabschirmung 54 bildenden Drahts ist vorzugsweise so gewählt, dass die Bauteile des Verstärkungsschaltkreises für das den Finger des Benutzers umgebende elektrische Feld "sichtbar" sind. Beispielsweise kann eine weit entfernt vom Verstärkungsschaltkreis angeordnete Gitterabschirmung aus einem dünneren Draht hergestellt sein als eine, die in großer Nähe zum Verstärkungsschaltkreis angeordnet ist. Auf diese Weise reduzieren die größeren "Löcher" in der aus dünnerem Draht hergestellten Gitterabschirmung eine Unsymmetrie zwischen in den parasitären Kapazitäten, die zwischen dem Finger und dem externen Gitter und zwischen dem Finger und den Bauteilen des Verstärkungsschaltkreises erzeugt werden. Auch die Grobheit der Gitterabschirmung kann so gewählt werden, dass eine Anordnung einer Batterie ermöglicht wird, sofern das Gesamtverhältnis der Kapazitäten symmetrisch gehalten wird.
  • In 4B veranschaulicht ein schematischer Überblick 56 ein Paar aus Abschirmungen, die einen Verstärkungsschaltkreis umgeben, welcher im Allgemeinen mit dem in 4A gezeigten Schaltkreis vergleichbar ist. Die Ausnahme besteht darin, dass in diesem Fall die interne massive Abschirmung 58B als Massefläche vorgesehen ist und somit den Verstärker 26 nicht vollständig umgibt. Eine diskrete Kapazität 41A ist zwischen der Gitterabschirmung 54 und dem Nicht-Referenzeingang des Verstärkers 20 eingekoppelt. Die Gitterabschirmung ist so gewählt und angeordnet, dass das Gesamtverhältnis der Kapazitäten so wie oben erörtert symmetrisch ist. Somit ist eine relativ symmetrische Impedanz zwischen den Eingängen des Verstärkers und allen Rückleitungswegen für den Gleichtaktstrom bereitgestellt.
  • 5 ist eine Querschnittsansicht von der Seite, die einen Defibrillator 100E veranschaulicht, der im Allgemeinen mit 5B vergleichbar ist. Eine innere leitende Abschirmung 132 umgibt die Leiterplatte 104. Eine äußere Abschirmung 130 umgibt die Spannungsversorgung 106, die Entladungskapazität 108 und die innere Abschirmung 132, innerhalb der die Leiterplatte 104 untergebracht ist. Weiters ist eine Kapazität 109E zwischen der externen Gitterabschirmung 134 und dem Nicht-Referenzeingang eines Verstärkungsschaltkreises auf der Leiterplatte 104 eingekoppelt. Der Wert der Kapazität 109E ist so gewählt, dass er wesentlich größer als jener der parasitären Kapazitäten im Schaltkreis ist. Auch ist die nicht-massive Abschirmung 130 so gewählt und angeordnet, dass sie auf die oben beschriebene Weise arbeitet.
  • Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass das Gleichtaktrauschen an einem Eintakt-Eingang eines Verstärkers so gut wie eliminiert wird, indem die parasitäre Kapazität mit einer angepassten Kapazität und zumindest einer leitenden Abschirmung symmetriert wird. Obwohl einige der oben erörterten Ausführungsformen die vorliegenden Erfindung für eine Verstärkerschaltung eines Defibrillators einsetzen, ist vorgesehen, dass die vorliegende Erfindung auch mit jedem beliebigen anderen Typ elektronischer Vorrichtung verwendet werden kann, die ein Kleinsignal verstärkt, beispielsweise einem elektronischen Instrument, das Kleinsignale misst, oder elektronischen Gerätschaften im Bereich der Telekommunikations- und der Tonfrequenzverstärkungsindustrie. Es ist ebenfalls vorgesehen, dass eine bestehende Verstärkerschaltung mit der vorliegenden Erfindung nachgerüstet werden kann, um ein verbessertes CMRR bereitzustellen.
  • Nun werden einige weitere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Ausführungsform A: Vorrichtung zur Regelung der Gleichtaktimpedanz-Unsymmetrie eines isolierten elektronischen Eintakt-Schaltkreises durch das Regeln der Impedanzen gegenüber den Gleichtaktströmen, die zwischen jedem Signalweg im Schaltkreis und allen Rückleitungswegen für den Gleichtaktstrom gegenwärtig sind, umfassend:
    • (a) eine massive innere Abschirmung, die zumindest einen Abschnitt des Schaltkreises umgibt, wobei die massive innere Abschirmung mit einer Schaltkreis-Masse verbunden ist, die eine Referenz für jeden Signalweg im Schaltkreis ist; und
    • (b) eine äußere Gitterabschirmung, die zumindest einen Abschnitt der massiven inneren Abschirmung umgibt, wobei die äußere Gitterabschirmung mit einem Nicht-Referenzsignalweg im Schaltkreis verbunden ist, wobei die Größe und die Anordnung der äußeren Gitterabschirmung so gewählt sind, dass die massive innere Abschirmung und die äußere Gitterabschirmung externen Rauschquellen symmetrisch ausgesetzt sind.
  • Ausführungsform B: Vorrichtung aus Ausführungsform A, worin die äußere Gitterabschirmung aus einem grobmaschigen Material hergestellt ist.
  • Ausführungsform C: Vorrichtung aus Ausführungsform B, worin der Wert der Kapazität gewählt ist, um dem Nicht-Referenzsignalweg und dem Referenzsignalweg die gleiche Gleichtaktimpedanz bereitzustellen.
  • Ausführungsform D: Vorrichtung aus Ausführungsform C, worin die Kapazität ein diskretes Bauteil ist.
  • Ausführungsform E: Vorrichtung aus Ausführungsform D, worin die Kapazität aus einer weiteren massiven Abschirmung gebildet ist, die zwischen der äußeren Gitterabschirmung und der massiven inneren Abschirmung angeordnet ist, wobei die weitere massive Abschirmung eine Größe aufweist, die im Verhältnis zur Größe der massiven inneren Abschirmung oder der Größe der äußeren Gitterabschirmung kleiner ist.
  • Ausführungsform F: Vorrichtung aus Ausführungsform E, weiters umfassend eine elektronische Vorrichtung, wobei der Schaltkreis zumindest ein Bauteil des elektronischen Geräts ist.
  • Ausführungsform G: Vorrichtung aus Ausführungsform F, weiters umfassend eine Massefläche; die an der massiven inneren Abschirmung angeschlossen ist.
  • Ausführungsform H: Vorrichtung aus Ausführungsform G, worin der Schaltkreis ein Eingangskreis ist.
  • Ausführungsform I: Vorrichtung aus Ausführungsform H, worin der Schaltkreis ein Ausgangskreis ist.
  • Ausführungsform J: Vorrichtung aus Ausführungsform I, worin die äußere Gitterabschirmung aus einem grobmaschigen Material gebildet ist.
  • Obwohl hier die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurde, versteht es sich, dass daran verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne dadurch den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Rauschreduktion in einem Schaltkreis, umfassend: (a) eine massive innere Abschirmung (58A, 58B), die zumindest einen Abschnitt des Schaltkreises umgibt, wobei die massive Abschirmung mit einer Schaltkreis-Masse verbunden ist, die eine Referenz für jeden Signalweg im Schaltkreis ist; und (b) eine äußere Gitter-Abschirmung (54), die zumindest einen Abschnitt der massiven inneren Abschirmung (58A, 58B) umgibt, wobei die äußere Gitter-Abschirmung (54) mit einem Nicht-Referenzsignalweg im Schaltkreis verbunden ist, wobei die Größe und die Anordnung der äußeren Gitter-Abschirmung (54) so gewählt sind, dass die massive innere Abschirmung (58A, 58B) und die äußere Gitter-Abschirmung (54) externen Rauschquellen symmetrisch ausgesetzt sind, wodurch die Gleichtakt-Impedanzunsymmetrie des Schaltkreises gesteuert wird, um eine Impedanz auf einen Gleichtaktstrom zu symmetrieren, der zwischen jedem Signalweg im Schaltkreis und allen Rückleitungswegen vorhanden ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, zudem umfassend eine zwischen der äußeren Gitter-Abschirmung (54) und dem Nicht-Referenzsignalweg im Schaltkreis angeschlossene Kapazität, wobei der Wert der Kapazität ausgewählt ist, um die Gleichtaktimpedanz des Nicht-Referenzsignalwegs relativ zur Gleichtaktimpedanz eines Referenzsignalwegs im Schaltkreis zu steuern.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, worin der Wert der Kapazität gewählt ist, um dem Nicht-Referenzsignalweg und dem Referenzsignalweg die gleiche Gleichtaktimpedanz bereitzustellen.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, worin die Kapazität ein diskretes Bauteil ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 2, worin die Kapazität aus einer weiteren massiven Abschirmung gebildet ist, die zwischen der äußeren Gitter-Abschirmung und der massiven inneren Abschirmung angeordnet ist, wobei die weitere Abschirmung eine Größe aufweist, die im Verhältnis zur Größe der massiven inneren Abschirmung oder der Größe der äußeren Gitter-Abschirmung kleiner ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, weiters umfassend eine elektronische Vorrichtung, wobei der Schaltkreis zumindest ein Bauteil des elektronischen Geräts ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, weiters umfassend eine Massefläche, die an die massive innere Abschirmung angeschlossen ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin der Schaltkreis ein Eingangskreis ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin der Schaltkreis ein Ausgangskreis ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die äußere Gitter-Abschirmung aus einem grobmaschigen Material gebildet ist.
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