差動増幅器について

質問

生体電気現象計測機器（脳波計や心電計）で差動増幅器が使用される理由はなぜですか？
雑音を消すためにあるような気がするのですが、よく分かりません。

回答No.2

yamaichiro · ベストアンサー

得られる信号レベルが微少でノイズの影響を
受けやすいので、そうならないようにするため
=「雑音を消すため」正解です。

ただ、差動増幅器だけで事が解決するわけでは
ありません。信号源の正負から撚り線で作動増
幅器へ接続する必要があります。これにより電
流ループ内に他からの磁界が入れなくなります
から、ノイズに強くなります。

差動増幅の出番はここからで、正負両方に同じ
く乗った同相ノイズ(コモンモードノイズ)を引
き算でキャンセル(相殺)します。

上記撚り線を更にシールドして、差動増幅器の
手前にコモンモードチョーク(1:-1のトランス)
を入れてやれば万全です(主に差動増幅器の帯域
より上で効く)。

回答No.4

Teleskope

>>　生体電気現象計測機器（脳波計や心電計）で差動増幅器が使用される理由はなぜですか？ <<

　医療の方からこの質問が来るとは！　現在は半導体や電子工学が自家薬籠のような顔をしてますが、もともと差動増幅回路は 脳波を計測するために医学の方で考案して改良され続けた回路です。（1930年代 ドイツ人 J.F.Toennies 等）　トランジスタが発明される10年以上前で初期は真空管です、直流安定性が良くないし医学計測では直流は不要だったので 交流の差動アンプだったようです。現在でも医療電子の文献で Toennis amplifier というのを見ますね。

http://www.viasyshealthcare.com/prod_serv/BUOverview.aspx?config=ps_appdtl&id=41など、検索すればいっぱい出ます。

>>差動増幅器が使用される理由はなぜ<<　への答は、考えられる構成のうちで一番適した構成を 当時の脳波屋さんが考え出してしまったから、でしょう。
　どんな機能が有能ゆえ使われるのかと言えば、たぶん教材に書いてあると思いますが 回路自体の方は同相信号除去能力(CMRR)が高いゆえです。
差動になって不関電極が同相信号専門のようになった効果も大きいかと。

　測定環境のシールドやケーブルのシールドは、（回路構成にかかわらず）微弱な信号計測一般に必要です。
　あと、脳波や心電は 音声などよりずっと狭帯域で信号レベルがμVオーダーなので 現在の半導体（高精度計測アンプ）の雑音レベルは度外視できるようです。

　余談；
歴史的に 三極真空管(増幅ができる)の特許が1906年で、その後の10年20年の間に激しい発明ラッシュがあって、現在知られてる基本回路のほとんどが登場してしまったのです。その時代に脳波屋さんが差動増幅を選定したのが如何に正解だったかは現在の状況を見れば分かります、ずっと無敵状態です。
　差動回路の以前の脳波計測はFETのソース接地のような2端子測定です、それを電気的に完ぺきに浮かすことが出来れば差動回路と同等になるんですが、真空管やトランジスタの時代は無理だった、そのおかげで差動回路が生まれた。（現在ならけっこうできてしまって、細胞膜にFETのチップを挿して電位とかを測定してますね。）
　医療計測機器の回路を見ると、現在もっとも留意してるのは医療事故（被験者への不慮の漏電など）の防止のようですね。

参考URL：

http://www.viasyshealthcare.com/prod_serv/BUOverview.aspx?config=ps_appdtl&id=41

回答No.3

masudaya

それは,雑音だけではないように思います.

(1)ゲインがとりやすい
(2)DCから帯域が取れる
(3)同相ノイズを除去できる

という理由ではないでしょうか？

雑音について少しだけ,
差動増幅器は,文字通り差動入力を増幅します.
つまり,ケーブルなどに誘導した同相ノイズは排除されます.
OPアンプのカタログなどにはCMR(コモン モード リジェクション)などと規定しています.
また,差動入力に逆相(遅延線などを用いて)の入力を入れることができると,信号は6dB(電圧2倍)上昇で雑音は3dB（電力2倍)上昇となるので,合計3dB S/Nが改善します.

回答No.1

ymmasayan

>　雑音を消すためにあるような気がするのですが、

その通りです。＋側の線と－側の線に雑音が乗ります。
差動増幅すれば信号はきちんと増幅されますが、雑音は＋－が打ち消しあって出力に現れないわけです。
そのためＳＮ比(Ｓ／Ｎ：信号対雑音比)が改善されます。