WPIs rauscharme Verstärker übertreffen billige Nachahmungen

Ein Verstärker ist einfach ausgedrückt ein elektronisches Gerät, das ein Eingangssignal vergrößert. Die Art und Weise, wie ein Verstärker mit Rauschen und Bandbreitenbeschränkungen umgeht, beeinflusst jedoch stark die Qualität und Nachhaltigkeit des endgültigen Ausgangssignals.

Begriffsdefinitionen

Um Verstärker sachkundig zu besprechen, definieren wir einige Begriffe.

• Verstärkung – Die Verstärkung ist der Multiplikator, der definiert, um wie viel die Amplitude eines Eingangssignals erhöht wird. Ein Signal mit einer Verstärkung von X1 wird nicht verstärkt. Eine Verstärkung von X10 erzeugt ein Ausgangssignal, das zehnmal größer ist als das Eingangssignal.
• Rauschen – Alle unerwünschten Signalfluktuationen werden als Rauschen bezeichnet. Während Rauschen auch von externen Quellen stammen kann, konzentrieren wir uns hier hauptsächlich auf das Rauschen, das durch die inneren Vorgänge des elektronischen Geräts, unseres Verstärkers, entsteht. Dieses intrinsische Rauschen wird Schrot- (oder Schott-) Rauschen genannt.
• Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) – Das Verhältnis des Ausgangssignals zum Rauschen des Verstärkers wird als Signal-Rausch-Verhältnis bezeichnet. Je kleiner das Schrot-Rauschsignal in einem Verstärker im Vergleich zum Ausgangssignal ist, desto leichter ist das gewünschte Signal zu unterscheiden. Beim Entwurf eines Verstärkers kann das SNR verbessert werden, indem die Verstärkung der ersten Stufe erhöht wird, um ein größeres Ausgangssignal zu erzeugen, oder durch die Verwendung hochwertiger Komponenten, um das Schrot-Rausch-Niveau des Verstärkers zu minimieren.
• Ausgangsbereich – Der Ausgangsbereich bestimmt das maximale Ausgangssignal, das mit dem Verstärker erzeugt werden kann. Er wird durch die maximale Spannung der Stromversorgung bestimmt. Wenn die Amplitude des Ausgangssignals zu groß für den Ausgangsbereich ist, wird ein Teil des Signals abgeschnitten (clipped).
• Schiene – Die obere oder untere Grenze des Verstärkerbereichs wird als Schiene bezeichnet. Signale, die die Schiene überschreiten, können nicht originalgetreu wiedergegeben werden.
• DC-Offset – DC-Offsets können in biologischen Präparaten auftreten. Dieser Offset ist der Betrag, um den das Ausgangssignal von einem Nullreferenzpunkt verschoben ist, und resultiert normalerweise aus der Potentialdifferenz an der Spitze der Elektrode.

Wie funktioniert ein Verstärker?

Stromversorgungs-Schienen begrenzen den Bereich

In einer idealen Welt kann ein Eingangssignal unendlich mit dem Verstärkungsfaktor multipliziert werden, um das Ausgangssignal zu bestimmen. Zum Beispiel:

In der Praxis begrenzen jedoch die Versorgungsschienen den möglichen Ausgangsbereich des Verstärkers. Zum Beispiel könnte ein Bio-Verstärker einen Bereich von ±5,0V haben. Damit das Ausgangssignal getreu wiedergegeben wird, muss das Eingangssignal multipliziert mit dem Verstärkungsfaktor innerhalb des durch die Versorgungsschienen vorgegebenen Spannungsfensters liegen. Andernfalls geht das Ausgangssignal über den Bereich hinaus und das Eingangssignal wird nicht getreu wiedergegeben. Dies nennt man „Anschlagen der Schiene“. 

In unserem Beispiel ein Eingangssignal von 1,0μV bei einer Verstärkung von X10⁶ Die Verstärkung würde ein Ausgangssignal von 1,0V erzeugen. Da die Stromversorgung bis zu +5,0V ausgelegt ist, ist dieses Ausgangssignal deutlich sichtbar. Wenn das Eingangssignal in diesem Beispiel größer als 5,0μV ist, wäre das Ausgangssignal größer als +5,0V. Da 5,0V die obere Grenze des von der Stromversorgung erzeugbaren Bereichs ist, erreicht das Ausgangssignal die obere Schiene und wird abgeschnitten. Dieser Verstärker liefert für alle Eingangssignale größer oder gleich 5,0μV ein Ausgangssignal von +5,0VDC. In diesem Fall sollte ein kleinerer Verstärkungsfaktor verwendet werden, um das Ausgangssignal wieder in den dynamischen Ausgangsbereich des Verstärkers zu bringen.

Rauschen begrenzt die Nutzbarkeit des Verstärkers

Alle elektronischen Geräte erzeugen ihr eigenes internes elektronisches Rauschen, ein unvermeidbares Signal, das das Ausgangssignal überdecken kann. Zum Beispiel, wenn das Eingangssignal 2mV beträgt und das Rauschen 1mV, ist das Signal-Rausch-Verhältnis zwei zu eins (2:1), und das Ausgangssignal wäre nicht erkennbar. In diesem Fall ist es nahezu unmöglich zu unterscheiden, welcher Teil des Ausgangs durch Rauschen erzeugt wird und welcher Teil das gewünschte Signal ist. (Abb. 1)

Abb. 1 – Je höher das Signal-Rausch-Verhältnis, desto besser ist das gewünschte Signal erkennbar.

Idealerweise sollte das Signal-Rausch-Verhältnis mindestens 50 zu 1 betragen, um ein qualitativ hochwertiges Ausgangssignal zu erzeugen. Ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis kann auf zwei Arten erreicht werden:

• Verstärken Sie das Ausgangssignal durch Erhöhung der Verstärkung.
• Reduzieren Sie das Rauschen.

Während die Erhöhung der Verstärkung die einfachste Lösung ist, kann zu viel Verstärkung die Dynamik des Verstärkers einschränken. Die Reduzierung von Rauschen ist eine kompliziertere Lösung, bietet aber letztlich einen größeren Bereich und mehr Stabilität.

Zweistufige Verstärker

Bio-Verstärker bestehen üblicherweise aus mehreren Verstärkungsstufen.

1. Stufe Eins – Das unverfälschte Signal, das in den Verstärker eintritt, wird nicht vom intrinsischen Rauschen des Verstärkers beeinflusst. Anschließend durchläuft es die kritische erste Verstärkungsstufe, in der das Signal durch den primären Verstärkungsfaktor verstärkt wird, um ein Ausgangssignal mit dem gewünschten Signal-Rausch-Verhältnis zu erzeugen. Das intrinsische Rauschen wird in der ersten Stufe nicht verstärkt. Höhere Verstärkungsfaktoren in der ersten Verstärkungsstufe können den verfügbaren Dynamikbereich am Ausgang stark einschränken. Große Verstärkungen in der ersten Stufe begrenzen auch den in der zweiten Verstärkungsstufe verfügbaren Verstärkungsfaktor.
2. Stufe 2 – Das Ausgangssignal der ersten Stufe gelangt in die zweite Verstärkungsstufe, wo sowohl das Signal als auch das Rauschen der ersten Stufe gemeinsam durch den Verstärkungsfaktor der zweiten Stufe verstärkt werden, sodass das Signal groß genug ist, um auf einem Schreibgerät oder Datenerfassungssystem sichtbar zu sein. Die Verstärkung der zweiten Stufe wird vom Benutzer gesteuert. Sie ändert das Signal-Rausch-Verhältnis nicht.

Anstatt hohe Verstärkungen in der ersten Verstärkungsstufe zu verwenden, minimiert ein gut konstruierter Bio-Verstärker, der hochwertige Komponenten wie die DAM-Serie von WPI verwendet, das Rauschen in der ersten Verstärkungsstufe, sodass der Dynamikbereich während des gesamten Verstärkungsprozesses erhalten bleibt. Ein schlecht entworfener Verstärker erhöht einfach die Verstärkung der ersten Stufe, bis das gewünschte Signal-Rausch-Verhältnis erreicht ist.

Warum nicht die Versorgungsspannungen erhöhen?

Theoretisch würde eine Erhöhung der Versorgungsspannungen, die den Verstärker speisen, den verfügbaren dynamischen Ausgangsbereich vergrößern. Es erscheint naheliegend, die Versorgungsspannungen, die in den Verstärker eingespeist werden, zu erhöhen, um größere Verstärkungsfaktoren in der ersten Stufe zu ermöglichen. Allerdings sind die meisten Datenerfassungssysteme auf ein maximales Eingangssignal von ±10,0 V begrenzt. Daher ist es nicht praktikabel, die Versorgungsspannungen von Bio-Verstärkern über ±10,0 V hinaus zu erhöhen. Da der Industriestandard uns auf ±10,0 V Versorgungsspannungen beschränkt, ist der einzige Weg, das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, das Schussrauschen in der ersten Verstärkungsstufe zu minimieren. Deshalb sind hochwertige Verstärkerkomponenten unerlässlich.

Warum zeigt mein Signal eine flache Linie?

Unabhängig vom verwendeten Verstärker sind biologische Potentiale oft von einem Gleichstromoffset begleitet, da sich die Elektroden mit der Zeit polarisieren. Der Gleichstromoffset nimmt mit der Zeit natürlich zu. Da der schlecht konstruierte Verstärker, der eine höhere Verstärkung in der ersten Stufe nutzt, seinen Dynamikbereich eingeschränkt hat, kann er diesen Offset nur begrenzt verarbeiten. Wenn der Offset weiter zunimmt, kann das Ausgangssignal schließlich durch den Offset an die Begrenzung gedrängt werden, was zu einer flachen Linie (Signalabschnitt) führt. (Siehe Abb. 2.)

 Abb. 2 – Da der Offset mit der Zeit natürlich zunimmt, kann ein schlecht konstruierter Verstärker das Signal nicht mehr originalgetreu wiedergeben. Dieser Offset kann auch durch Verstärkungsdrift verursacht werden, die bei steigender Temperatur auftreten kann.

Der Verstärker, der das Rauschen in der ersten Verstärkungsstufe minimiert, bietet einen größeren dynamischen Ausgangsbereich und kann einen viel größeren Offsetwert verarbeiten.

Verstärker von WPI

Der Kauf eines rauscharmen Verstärkers zahlt sich am Ende aus. Die Verstärker von WPI wurden für biomedizinische Forscher entwickelt. Während 20-30μV Rauschen bei Bioverstärkern üblich sind, erzeugen die Verstärker der DAM-Serie von WPI 0,4μV RMS (Effektivwert) bei 0,1-100Hz. (Das entspricht etwa 2μV Spitze-Spitze.) Die untenstehende Grafik vergleicht die Bioverstärker von WPI.

* 1-8 ISODAM8A oder BRIDGE8 Einheiten können als separate Kanäle in einem einzigen ISDB kombiniert werden

Mehr Informationen