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心電図など生体信号を電極を通して体外に取り出し、増幅するには差動増幅器が用いられる理由を教えて下さい。

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A 回答 (4件)

信号源の基準電位(アース)の電極の設置が難しいかったり、信号源からアース線の引き出しが困難なケースで2つの電極間の電位差だけが意味をもつ、生体信号では、生体そのものがAC100Vの交流の誘導雑音などがのっているため、計測じに取り付ける2つの電極にその誘導雑音が同相成分として大きく乗るのが普通です。

勿論生体のアースを取ること自体が困難(取り付け位置など)です。幸い測定電極間の電位差だけが有意な信号で成分で、生体に誘導される誘導ノイズが邪魔な(同相)ノイズ(どの電極にも殆ど同じ波形で誘導されるノイズ)です。測定電極間の信号の差をとれば、同相ノイズが打消してなくなり、2電極間の有意な生体信号の電位差だけが取り出せます。生体信号(電位差として取り出す)はもともと小さな電圧の信号ですから、電極間の差をとって、測定室などの誘導ノイズを除去し、有意な電位差(微小な本来の生体信号)を増幅してやる必要があります。
この役割を同時にこなすのが差動増幅器ですね。
この増幅器は信号源のアースが引き出しにくいケース(これは誘導ノイズが測定電極に大きく乗る原因になるケースとも言える)に最も適しています。心電図などでは差動増幅器を使った測定器は普通のAC100Vの引き回された部屋や蛍光灯ランプなどからの誘導ノイズを防げますが、生体の神経線維1本に針電極を2本刺して信号を取り出す場合はさらに生体信号が微小になりますので、測定系だけをシールドルームに入れて、誘導雑音自体も減らして電極間の電位差を差動増幅器で大きく増幅して測定しますね。
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#1、#2さんが言われる両方の理由から、心電図に限らず高周波(位相の問題で難しい)や電力増幅用を除くほとんどのアンプが差動増幅器です。


 オペアンプやAFアンプ(後段除く)のICもほとんど差動増幅器でできています。

 コモンモードノイズというのは、差動増幅器のペアのアンプ(トランジスタ)に同相で入ってくるまたは生じるノイズのことです。
 例えば、増幅器に供給される電源のノイズ(揺らぎ、サージ等)やトランジスタ自体が発生するノイズ、アースに流れるノイズなどが有ります。
 それらは、トランジスタがペアで組み合わされていることで、同相の信号として打ち消されます。

 
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直流まで安定して増幅するには差動増幅器を使います。

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簡単に言ってしまえば、


外来ノイズ(コモンモードノイズ)からの影響を受けにくいからです。
生体信号はごく微弱なので。

似た事情で、あまり弱い信号ではないですが高速だったり長距離だったりする
信号伝達にも差動信号を使います。
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