практикум часть 1. Практикум по медицинской и биологической физике учебное пособие для самостоятельной работы
 Скачать 34.72 Mb.
|
|
Тема занятия Изучение усилителя электрических сигналов 2.5.1. Цели и задачи 1. Снять амплитудную и частотную характеристики усилителя; 2. Уметь определять по ним основные метрологические характеристики усилителя – коэффициент усиления, динамический диапазон, частот- ный диапазон на уровне затухания 3дб; 3. Сделать вывод о возможности использования данного усилителя в ка- честве усилителя биоэлектрических сигналов. 2.5.2. Приборы и принадлежности Звуковой генератор, электронный усилитель, ламповый вольтметр переменного тока, соединительные провода. 2.5.3. Вопросы к занятию 1. Основные метрологические характеристики физиологического сигна- ла. Приведите пример. 2. Что такое динамический диапазон сигнала? Как его можно рассчиты- вать. Приведите пример. 3. Основные метрологические характеристики УБП: определения, фор- мулы. 4. Как можно определить динамический диапазон УБП? (Ответ поясни- те графиком и формулой) 5. Как можно определить коэффициент нелинейных искажений УБП? (Ответ поясните графиком и формулой) 6. Что такое коэффициент усиления УБП? Как его можно определить? (Ответ поясните графиком и формулой) 7. Как можно рассчитать номинальный коэффициент усиления УБП для ЭКГ (ЭЭГ, ЭГГ и т.д.)? Приведите пример. 8. Что такое калибровка УБП? Как можно откалибровать УБП для уси- ления ЭКГ (ЭЭГ)? 9. В чем заключается необходимость высокого входного сопротивления УБП? (Ответ поясните расчетом) 10. Что такое амплитудная характеристика УБП? Какие метрологические характеристики по ней можно определить? (Ответ поясните графиком и формулами) 11. Нарисуйте частотную характеристику усилителя постоянного тока, по- кажите на ней, как можно найти границы рабочего диапазона частот? 12. Нарисуйте частотную характеристику усилителя переменного тока и 82 покажите на ней, как можно найти границы рабочего диапазона ча- стот. 13. Причины возникновения амплитудных искажений и методы их устра- нения (калибровка). (Ответ поясните примером) 14. Причины появления линейных (частотных) искажений УБП. Как можно от них избавиться? 15. Принцип действия усилителя постоянного тока. Нарисуйте схему усилительного каскада на транзисторе. 16. Типы защиты от поражения током Н, В, BF и CF электронных прибо- ров. (Сделайте пояснения) 17. Классы электронной аппаратуры 1,01, 11, 111, основные особенности и показания к применению. 18. Классификация электронной медицинской аппаратуры по надежно- сти. (Сделать пояснения). Основные показатели надежности аппара- туры. 19. Устранение помех (наводок) при усилении. Дифференциальный уси- литель: схема и принцип работы. 20. Почему нельзя использовать УБП электрокардиографа для усиления ЭЭГ, ЭГ и т.д. (Ответ аргументируйте метрологическими характери- стиками УБП и биосигнала). 2.5.4. Теоретическое введение Основные показатели работы усилителей Классификация усилителей Электронным усилителем называется устройство, позволяющее преобразо- вывать входные электрические сигналы в сигналы большей мощности на выходе без существенного искажения их формы. Эффект увеличения мощности возмо- жен при наличии в устройстве некоторого внешнего источника, энергия которо- го используется для создания повышенной мощности на выходе. Этот источник энергии, преобразуемой усилителем в энергию усиленных сигналов, называется источником питания. Энергия источника питания преобразуется в энергию полезного сигнала при помощи усилительных, или активных элементов. Устройство, являющееся по- требителем усиленных сигналов, называют нагрузкой усилителя, а цепь усили- теля, к которой нагрузка подключена, – выходной цепью, или выходом усилите- ля. Источник входного сигнала, который нужно усилить, называется источником сигнала, или входным источником или генератором, а цепь усилителя, в кото- рую вводят входной сигнал, называется входной цепью, или входом усилителя. Любой усилитель модулирует энергию источника питания входным управ- ляющим сигналом. Этот процесс осуществляется при помощи управляемого не- линейного элемента. Обобщенная структурная схема усилительного устройства приведена на рис.1. Для обеспечения усиления сигнала усилитель (У), последовательно с ко- торым соединен источник питания Еп, должен включать в себя нелинейный элемент, управляемый входным электрическим сигналом U1. К входной (управ- 83 ляющей) цепи усилителя подключен источник Е С усиливаемого сигнала (при этом Zc – комплексное значение внутреннего сопротивления источника), а к вы- ходной – нагрузочное устройство с сопротивлением Zн. Рис 1. Обобщенная структурная схема усилительного устройства Где I 1 и U 1 , I 2 и U 2 – входные и выходные токи и напряжения усилителя. Обычно, в первом приближении, сопротивления считают активными, учи- тывая их комплексность только при рассмотрении специфических вопросов. Усилительные устройства находят очень широкое применение. Они явля- ются основными узлами различной электронной аппаратуры, широко использу- ются в устройствах автоматики и телемеханики, в следящих, управляющих и ре- гулирующих системах, счетно-решающих и вычислительных машинах, кон- трольно-измерительных приборах и т.п. Деление усилителей на типы обычно осуществляют по назначению усили- теля, характеру входного сигнала, полосе и абсолютному значению усиливае- мых частот, виду используемых активных элементов. По своему назначению усилители условно делятся на усилители напряже- ния, усилители тока и усилители мощности. Если основное требование – усиле- ние входного напряжения до необходимого значения, то такой усилитель отно- сят к усилителям напряжения. Если основное требование – усиление входного тока до нужного уровня, то такой усилитель относят к усилителям тока. Следует отметить, что в усилителях напряжения и усилителях тока одновременно проис- ходит усиление мощности сигнала (иначе вместо усилителя достаточно было бы применить трансформатор). В усилителях мощности в отличие от усилителей напряжения и тока требуется обеспечить в нагрузке заданный или максимально возможный уровень мощности сигнала. Ниже будут приведены необходимые соотношения, характеризующие усиление напряжения, тока и мощности. В зависимости от характера входного сигнала различают усилители гармо- нических (непрерывных) сигналов и усилители импульсных сигналов. К первой группе относятся устройства для усиления непрерывных электрических сигна- лов, гармонические составляющие которых изменяются много медленнее всех нестационарных процессов в цепях усилителя. Ко второй группе усилителей от- носятся устройства для усиления электрических импульсов различной формы и амплитуды с допустимыми искажениями их формы. В этих усилителях входной сигнал изменяется настолько быстро, что процесс установления колебаний явля- ется определяющим при нахождении формы выходного сигнала. В пределах данного курса мы будем изучать усилители гармонических сигналов. 84 Полоса и абсолютные значения усиливаемых частот позволяют разделить усилители на следующие типы. Усилители постоянного тока (УПТ) (точнее, усилители медленно меняю- щихся напряжений и токов) предназначены для усиления электрических колеба- ний в пределах от низшей частоты fн, равной нулю, до верхней рабочей частоты fв усилителя, составляющей нередко десятки и сотни килогерц. Эти усилители широко применяются в измерительной аппаратуре, устройствах автоматики и вычислительной техники. Они позволяют усиливать как переменные составля- ющие сигнала, так и его постоянную составляющую. Усилители переменного тока предназначены для усиления лишь перемен- ных составляющих входного сигнала. В зависимости от граничных значений ра- бочего диапазона частот усилители переменного тока могут быть низкой и вы- сокой частоты. Для усилителей низкой частоты (УНЧ) справедливо неравенство fв – fн >> fн. Частотный спектр (УНЧ) лежит в пределах от десятков герц до де- сятков (сотен) килогерц. В усилителях высокой частоты усиление сигнала осу- ществляется в диапазоне частот, определяемых неравенством fв – fн << fв. По ширине полосы усиливаемых частот выделяют избирательные усилите- ли, усиливающие электрические сигналы в узкой полосе частот fв / fн < 1,1. За пределами этой полосы усиление резко падает. Эти усилители могут использо- ваться как на низких, так и на высоких частотах и выступают в качестве своеоб- разных частотных фильтров, позволяющих выделить (или подавить) заданный диапазон частот электрических колебаний. Узкая полоса частотного диапазона во многих случаях обеспечивается применением в качестве нагрузки таких уси- лителей одного или нескольких колебательных (резонансных) контуров. В связи с этим избирательные усилители часто называют резонансными, или полосовы- ми. Широкополосные усилители, усиливающие электрические сигналы в очень широком диапазоне частот fв / fн > 1000. Эти усилители предназначены для усиления сигналов в устройствах импульсной связи, радиолокации и телевиде- ния. Во многих случаях усиленные сигналы воспроизводятся на экране элек- тронно-лучевой трубки и регистрируются визуально. Поэтому часто широкопо- лосные усилители называют видеоусилителями. Помимо своего основного назначения, эти усилители с успехом используются также в устройствах автома- тики, и вычислительной техники. По роду применяемых активных элементов усилители делятся на транзи- сторные, магнитные, диодные, ламповые, параметрические и др. В качестве ак- тивных элементов в настоящее время в усилителях чаще используются полевые или биполярные транзисторы либо интегральные схемы. Широко применявшие- ся ранее усилительные лампы в разработке новой усилительной аппаратуры практически не используются. Значительно реже, чем транзисторы и интеграль- ные схемы, применяются активные элементы в виде нелинейных емкостей или индуктивностей и специальные типы полупроводниковых диодов. Приведенная классификация рассматривает усилительные устройства с раз- ных позиций. Поэтому для полной характеристики конкретного усилителя необ- 85 ходимо знание всех его основных признаков. Основные технические показатели усилителей Важнейшими техническими показателями усилителя являются: коэффици- енты усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопро- тивления, выходная мощность, коэффициент полезного действия, номинальное входное напряжение (чувствительность), диапазон усиливаемых частот, дина- мический диапазон амплитуд и уровень собственных помех, а также показатели, характеризующие нелинейные, частотные и фазовые искажения усиливаемого сигнала. Коэффициент усиления – отношение установившихся значений выходного и входного сигналов усилителя. В зависимости от типа усиливаемой величины различают коэффициенты усиления: по напряжению Ku = U 2 / U 1 ; (1) по току Ki = I 2 /I 1 ; (2) по мощности Кр = Р 2 / Р 1 , (3) где U 1 , U 2 , I 1 , I 2 – действующие (или амплитудные) напряжения и токи. Так как P1 = U 1 * I 1 и P 2 = U 2 * I 2 , то коэффициент усиления по мощности: Kp = Ku* Ki. (4) Значение коэффициента усиления К у различных усилителей напряжения может иметь величину порядка десятков и сотен. Но и этого в ряде случаев не- достаточно для получения на выходе усилителя сигнала требуемой мощности. Тогда прибегают к последовательному (каскадному) включению ряда усили- тельных каскадов (рис.2). Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. При последовательном соединении нескольких усилительных устройств произ- ведение их коэффициентов усиления определяет общий коэффициент усиления системы, т.е. К общ. = К 1 * К 2 *…* Кn. (5) Входной усили- тель Первый промежу- точный каскад Предоко нечный каскад Выходной каскад U вх R н Рис. 2. Структурная схема многокаскадного усилителя Коэффициент усиления, вычисленный по формуле (5), представляет собой безразмерную величину. Учитывая, что в современных усилительных схемах коэффициент усиления, выраженный в безразмерных единицах, получается до- вольно громоздким числом, в электронике получил распространение способ вы- 86 ражения усилительных свойств в логарифмических единицах – децибелах (дБ). Коэффициент усиления по мощности, выраженный в децибелах, равен: K P [дБ] = 10 lg (P 2 /P 1 ) = 10 lg K P . (6) Поскольку мощность пропорциональна квадрату тока или напряжения, для коэффициентов усиления по току и напряжению можно записать соответствен- но: K I [дБ] = 20 lg (I 2 /I 1 ) = 20 lg K I , K U [дБ] = 20 lg (U 2 /U 1 ) = 20 lg K U Обратный переход от децибел к безразмерному числу производится при помощи выражения: N K k дБ K 10 , (7) где N = 10 при расчете коэффициента усиления по мощности и N = 20 – при расчетах по напряжению и току. Широкому использованию логарифмического представления коэффициен- тов усиления способствует и то, что многие направления, в которых применяют- ся усилители, связаны с техникой, воздействующей на чувства человека. А вос- приятие человека описываются логарифмическими зависимостями. Например, громкость звукового сигнала, по ощущениям человека, увеличится в два раза при увеличении его мощности в 10 раз. Следовательно, усиление равно одному децибелу, если напряжение на вы- ходе усилителя в 1,12 раза (на 12%) больше, чем напряжение на входе. В технике электронных усилителей наиболее часто рассматривают коэффи- циент усиления по напряжению, поэтому при его написании индекс часто опус- кается. Это будет делаться также в данном пособии в дальнейшем. Полезно помнить, что удвоение коэффициента усиления К означает увели- чение этого показателя в децибелах K (дБ) на 6 дБ, а увеличение K в 10 раз – увеличение К (дБ) на 20 дБ. Изменение коэффициента усиления на 3 дБ соответ- ствует его увеличению в 2 раз, а на минус 3 дБ – уменьшению в 2 раз (при- мерно 0,707 от исходной величины). Логарифмическая мера оценки удобна при анализе многокаскадных усили- телей. Обычно, когда рассматривают коэффициент усиления, имеют ввиду него модуль. Фазовый сдвиг (аргумент коэффициента усиления) анализируют от- дельно. Значения, как модуля, так и фазы зависят как от величины параметров схемы усилителя, так и от частоты усиливаемого сигнала. Для их описания ис- пользуют так называемые амплитудно-частотную и фазо-частотную характери- стики. 87 Частотная характеристика Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) называется зависимость модуля коэффициента усиления К усилителя от частоты входного сигнала f (ли- бо от круговой частоты = 2 ν) рис.3. Для оси абсцисс обычно используют логарифмический масштаб. Это вы- звано тем, что частотный диапазон современных усилителей может быть очень велик и, если применить линейный масштаб по частоте, то такая характеристика будет неудобна для использования, так как все нижние частоты будут сжаты у начала координат, а область верхних частот окажется слишком растянутой. По- этому при построении амплитудно-частотных характеристик частоту по оси абсцисс удобнее откладывать не в линейном, а в логарифмическом масштабе – для каждой частоты фактически по оси откладывается величина lg f, а подписы- вается значение частоты f. Рис.3. Амплитудно-частотная характеристики усилителя Коэффициент усиления на графике может быть представлен по-разному – либо в абсолютных, либо в относительных значениях. Применение относитель- ных значений обусловлено значительным технологическим разбросом значений коэффициента усиления отдельных образцов реальных усилителей. Поэтому для удобства взаимного сопоставления АЧХ усилителей с различными значениями Км их обычно нормируют, представляя выходной параметр в виде относитель- ной величины, т.е. N(ω) = K(ω) / Kmax, (8) где К(ω) и Km – коэффициент усиления на частоте ω и максимальное значе- ние коэффициента усиления. Входное и выходное сопротивления Усилитель можно рассматривать как активный четырехполюсник, к вход- ным зажимам которого подключается источник усиливаемого сигнала, а к вы- ходным – сопротивление нагрузки. На рис.4. показана одна из возможных экви- валентных схем усилительного каскада, где усилитель (обозначение ) пред- ставлен в виде четырехполюсника. Источник сигнала (генератор G), подключа- 88 емый ко входу усилителя, характеризуется величиной ЭДС Uг. и внутренним сопротивлением Rг. Усилитель одновременно является нагрузкой для источника сигнала и источником сигнала для внешней нагрузки Rн. При построении схемы использована теорема об эквивалентном источнике, согласно которой любую, сколь угодно сложную схему, всегда можно предста- вить в виде источника напряжения (ЭДС) и включенного последовательно с ним резистора, соответствующего выходному сопротивлению. Это применено при изображении генератора и выходной цепи усилителя. С другой стороны, вход- ную цепь любого каскада всегда можно представить в виде резистора, соответ- ствующего эквивалентному входному сопротивлению такого каскада, что сде- лано применительно к входной цепи усилителя и нагрузки. G U вх =U 1 U вых I вых = I н I вх =I 1 U г R г R вых R вх R н U вых Рис.4. Усилитель как четырехполюсник Входное и выходное сопротивления – важнейшие параметры усилительных устройств. Их значения должны учитываться при согласовании усилительного устройства как с источником входного сигнала (датчиком), так и с нагрузкой. В общем виде значения входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются функцией частоты. Эти зависимости необходимо учиты- вать при анализе воздействия на вход усилительного устройства непериодиче- ского сигнала, который характеризуется широким спектром гармонических со- ставляющих. На практике обычно для большинства случаев ограничиваются рассмотрением только активных составляющих входного и выходного сопро- тивлений. Для них справедливы следующие выражения: Rвх = R 1 = (U 1 / I 1 ) при Rн – const, (9) Rвых = U 2X / I 2K , где R 2X – напряжение холостого хода на выходе усилителя (Rн = ∞); I 2К – ток короткого замыкания (Rн = 0). При практическом использовании усилителей большое значение имеет со- отношение величин Rг и Rвх. Если Rг << Rвх то Uвх Uг. Если Rг >> Rвх, то Iвх Iг. Если же Rвх и Rг соизмеримы, то необходимо знать значения их сопро- тивлений для того, чтобы определить, какой уровень сигнала будет действовать непосредственно на входе усилителя. Для практического использования усили- телей большое значение имеет соотношение величин Rвых и Rн аналогичное соотношению величин Rг и Rвх во входной цепи. Очевидно, если Rн >> Rвых, 89 то в выходной цепи обеспечивается согласование по напряжению (работа в ре- жиме холостого хода), а при Rн << Rвых – режим согласования по току (работа в режиме короткого замыкания). При равенстве этих величин обеспечивается максимальная передача мощности в нагрузку. Как пример рассмотренного на рис 5 показана эквивалентная схема трех- каскадного усилителя, на которой каждый каскад представлен активным четы- рехполюсником. Рис.5. Эквивалентная схема трехкаскадного усилителя Искажения в усилителях. При усилении электрических сигналов могут про- изойти искажение сигнала. Под искажениями понимают изменение формы сиг- нала на выходе по сравнению с формой сигнала на входе. При этом изменение величины сигнала в результате его усиления (ослабления) не учитывают. Существуют довольно много причин, а в соответствии с ними, и типов ис- кажений. Наиболее важными из них являются частотные, фазовые искажения и нелинейные. Частотными называются искажения, обусловленные изменением величины коэффициента усиления на различных частотах. Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по его амплитуд- но-частотной характеристике, представляющей собой зависимость коэффициен- та усиления от частоты усиливаемого сигнала. Степень искажений на отдельных частотах выражается коэффициентом ча- стотных искажений М, равным отношению коэффициента усиления на средней частоте Кср к коэффициенту усиления Kν на анализируемой частоте ν. Обычно наибольшие частотные искажения возникают (допускаются) на границах диапазона частот νн и νв. Из определения коэффициента частотных искажений следует, что если М > 1, то частотная характеристика в области анализируемой частоты имеет завал, а если М < 1, – то подъем. Для усилителя идеальной частотной характеристикой является горизонтальная прямая. Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен про- изведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов М = М1* М2* М3... Мn. (10) Следовательно, частотные искажения, возникающие в одном каскаде усили- теля, могут быть скомпенсированы в другом так, чтобы общий коэффициент ча- стотных искажений не выходил за пределы заданного. Коэффициент частотных искажений, так же как и коэффициент усиления, удобно выражать в децибелах: 90 M M дБ lg 20 (11) В случае многокаскадного усилителя дБ N дБ дБ дБ М М М М 2 1 (12) Допустимая величина частотных искажений зависит от назначения усили- теля. Для усилителей контрольно-измерительной аппаратуры, например, допу- стимые искажения, определяются требуемой точностью измерения широкопо- лосного сигнала и могут составлять десятые и даже сотые доли децибела. Полоса частот в пределах от νн до νв называется рабочей полосой частот, или полосой пропускания усилителя: ν = ν В – ν Н или ν = ν в – ν н Если при проектировании многокаскадного усилителя задана полоса про- пускания усилителя (Fус), то полоса пропускания отдельного каскада (Fкас) должна быть более широкой. Нелинейные искажения представляют собой изменение формы кривой уси- ливаемых колебаний, вызванное нелинейными свойствами цепи, через которую эти колебания проходят. Основной причиной появления нелинейных искажений в усилителе является нелинейность характеристик усилительных элементов, а также характеристик намагничивания трансформаторов или дросселей с сердеч- никами. Появление искажений формы сигнала, вызванных нелинейностью входных характеристик транзистора, иллюстрирует рис.6. Предположим, что на вход усилителя подан испытательный сигнал синусоидальной формы. Попадая на не- линейный участок входной характеристики транзистора, этот сигнал вызывает изменения входного тока, форма которого отличается от синусоидальной. В свя- зи с этим и выходной ток, а значит, и выходное напряжение изменят свою фор- му по сравнению с входным сигналом. t t Рис.6. Возникновение нелинейных искажений Чем больше нелинейность усилителя, тем сильнее искажается им синусои- дальное напряжение, подаваемое на вход. Известно (теорема Фурье), что всякая 91 несинусоидальная периодическая кривая может быть представлена суммой гар- монических колебаний основной частоты и высших гармоник. Таким образом, в результате нелинейных искажений на выходе усилителя появляются высшие гармоники, т.е. совершенно новые колебания, которых не было на входе. Сте- пень нелинейных искажений усилителя обычно оценивают величиной коэффи- циента нелинейных искажений (коэффициента гармоник): 1 3 2 P P P P K n г , (13) где Р2 +Р3 … + Рn – сумма электрических мощностей, выделяемых на нагрузке гармониками, появившимися в результате нелинейного усиления; Р 1 – электрическая мощность первой гармоники. Допустимая величина коэффициента гармоник всецело зависит от назначе- ния усилителя. В усилителях контрольно-измерительной аппаратуры, например допустимое значение, составляет десятые доли процента. Выходная мощность Выходная мощность – это полезная мощность, развиваемая усилителем в нагрузочном сопротивлении. При активном характере сопротивления нагрузки выходная мощность усилителя равна: н вых т н вых т вых т вых т вых R I R U I U P 2 2 5 , 0 5 , 0 5 , 0 , (14) где Uт вых Iт вых – амплитуды выходных гармонических колебаний. Увеличение выходной мощности усилителя приводят к росту нелинейных искажений, которые возникают за счет нелинейности характеристик усилитель- ных элементов при больших амплитудах сигналов. Поэтому чаще всего усили- тель характеризуют максимальной мощностью, которую можно получить на вы- ходе при условии, что искажения не превышают заданной (допустимой) величи- ны. Эта мощность называется номинальной выходной мощностью усилителя. Коэффициент полезного действия (К.П.Д). Этот показатель особенно важно учитывать для усилителей средней и большой мощности, так как он позволяет оценить их экономичность. Амплитудная характеристика реального усилителя не проходит через нача- ло координат: при отсутствии входного напряжения напряжение на выходе не равно нулю. Величина этого напряжения в реальных усилителях напряжение определяется уровнем собственных шумов усилителя и помехами. Основными составляющими шумов усилителя являются: шумы усилительных элементов, тепловые шумы различных цепей усилителя; шумы микрофонного эффекта, вы- званные воздействием на узлы и детали усилителя механических толчков и виб- 92 раций, фон, обусловленный воздействием на цепи усилителя пульсаций напря- жения питания, наводки, определяемые воздействием на цепи усилителя посто- ронних источников сигналов и источников помех и т.п. U в ы х U м и н в ы х U в х U м а к в ы х U в х м и н U в ы х н о м U в х м а к Рис.7. Амплитудная характеристика усилителя Шумовые напряжения, в силу своей случайности, имеют самые различные частоты и фазы и поэтому практически охватывают всю полосу частот усилите- ля. Следовательно, с увеличением полосы пропускания усилителя уровень шума возрастает. Кроме того, шум тем больше, чем выше температура и больше вели- чина сопротивления цепи, которая создает напряжение тепловых шумов. При больших входных напряжениях реальная амплитудная характеристика также отклоняется от линейной (идеальной), искривляясь из-за перегрузки уси- лительных элементов. (Максимальное напряжение выходного сигнала определя- ется напряжением питания). Однако отступление передаточной характеристики от линейности приводит к увеличению нелинейных искажений. Поэтому макси- мальным входным сигналом является сигнал, при котором нелинейные искаже- ния не превысят допустимое (заданное) значение. При таком сигнале усилитель развивает номинальную выходную мощность. Соответствующее выходное напряжение часто называют номинальным выходным напряжением (аналогично и – номинальное входное напряжение). Таким образом, реальный усилитель может усиливать без заметных иска- жений напряжения не ниже Uвх мин и не выше Uвх мак. В пределах этого диа- пазона амплитудная характеристика считается линейной, а угол ее наклона определяет коэффициент усиления. Отношение амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигналов на входе усилителя (на линейном участке амплитудной характеристики) называют динамическим диапазоном усилителя m. Динамический диапазон обычно вы- ражают в децибелах: 93 (15) Номинальное входное напряжение (чувствительность) Номинальным входным напряжением называется напряжение, которое нужно подвести к входу усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощ- ность. Чем меньше величина входного напряжения, обеспечивающего требуе- мую выходную мощность, тем выше чувствительность усилителя. Подача на вход усилителя напряжения, превышающего номинальное, приводит к значи- тельным искажениям сигнала и называется перегрузкой со стороны входа. Если усилитель предназначен для работы от нескольких источников, то его вход рас- считывается обычно на наименьшее напряжение, которое дает один из источни- ков, а другие источники сигнала включаются через делители напряжения. Структурная схема усилителя Как было сказано ранее, большинство усилителей состоят из нескольких каскадов (усилительный каскад – часть, образующая одну ступень усиления). Их обобщенная структурная схема была приведена на рис. 5. На ней можно выделить входной, выходной и промежуточные каскады, которые располагаются между первыми двумя. Основной задачей входного каскада является согласования электрических характеристик источника входного сигнала и усилителя. Особенности его по- строения во многом определяются характеристиками источника сигнала. Например, очень часто общие точки («земля») датчиков не имеют электрическо- го соединения с общей точкой («землей») усилителя. В этом случае входной каскад должен строиться по схеме дифференциального усилителя. Большинство первичных датчиков являются маломощными, «хорошо» работающими на нагрузку с большим сопротивлением. В некоторых случаях, датчик построен по схеме «генератора стабильного тока», для которого необходима нагрузка (вход- ное сопротивление водного каскада усилителя) со сравнительно небольшим со- противлением. Все это должно учитываться при выборе схемы и проектирова- нии входного каскада. Выходной каскад должен обеспечить подачу в нагрузку заданной мощно- сти сигнала. Поэтому он обычно называется усилителем мощности. При его проектировании, несомненно, учитываются особенности реальной нагрузки. Например, изолированная (не допускающая заземления) нагрузка может приве- сти к использованию специальных схемотехнических решений. Так как сигнал в выходном усилителе достигает максимальных величин, то при проектировании большое внимание уделяется получению минимальных искажениях его формы. Все каскады между входным и выходным называются промежуточны- 94 ми или каскадами предварительного усиления. Для уменьшения энергетических потерь (получения большего К.П. Д) оказалось выгодным возложить на них функцию максимального усиления по напряжению. Зачастую сигнал, приходя- щий на оконечный каскад, имеет напряжение такой же величины, как и в нагрузке. Поэтому основная часть нелинейных искажений, которыми характери- зуется усилитель, возникает в оконечном каскаде, что должно учитываться при его проектировании. Количество каскадов предварительного усиления опреде- ляется необходимым усилением. Обычно в предварительных каскадах осу- ществляется необходимая обработка входного сигнала, например, регулировка усиления, фильтрация входного сигнала и т.п. Очень часто между каскадами предварительного усиления и каскадом уси- ления мощности включается так называемый предоконечный каскад, задача которого состоит в обеспечении нормального функционирования усилителя мощности. Например, предоконечный каскад в виде фазоинверсного каскада обеспечивает работу двухтактного усилителя мощности. В некоторых случаях его объединяют с усилителем мощности и проводят совместный расчет. Характерной особенностью современных электронных усилителей является исключительное многообразие схем, по которым они могут быть построены. Однако среди этого многообразия можно выделить наиболее типичные схемы, содержащие элементы и цепи, которые чаще всего встречаются в усилительных устройствах независимо от их функционального назначения. Современные усилители выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении, причем уси- лители в микроисполнении отличаются от своих дискретных аналогов, главным образом, конструктивно-технологическими особенностями, схемные же постро- ения принципиальных отличий не имеют. При построении усилительных устройств наибольшее распространение получили каскады на биполярных и по- левых транзисторах, использующие соответственно схемы включения транзи- стора с общим эмиттером и общим истоком. Реже используются схемы включе- ния с общим коллектором и общим стоком. Схемы включения с общей базой или общим затвором находят применение только в узком классе устройств, например во входных цепях радиоприемных устройств, работающих в диапа- зоне УКВ. Рассмотрение таких каскадов, в силу специфики построения, связан- ной с сильным влиянием на их свойства паразитных параметров реальной кон- струкции каскада, требует самостоятельного рассмотрения и выходит за рамки настоящего курса. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать только специ- фику построения и основные параметры каскадов, использующих соответствен- но схемы включения с общим эмиттером и общим коллектором для биполярных и с общим истоком и общим стоком для полевых транзисторов. Наименование (обозначение) усилителя производится в соответствии со схемой включения транзистора: усилитель ОЭ, ОК, ОБ, ОИ и ОЗ. 95 Некоторые представители физиологических сигналов таб.1, требую- щих предварительного усиления для дальнейшей обработки: Таблица 1 Физиоло- гический сиг- нал Ампли- туда сигнала, мВ Динамиче- ский диапазон Полоса частот, Гц ЭКГ (электрокар- диограмма) 0,3 - 3 10 0,5 - 400 ФКГ (фонокар- диограмма) 10 - 100 10 20 - 800 РГ (рео- грамма) 1 - 10 10 0,3 - 30 ЭМГ (электромио- грамма) 0,02 - 3 150 1 - 10 000 ЭГГ (электрога- строграмма) 0,01 - 0,4 40 0,02 - 0,06 96 Выполнение работы и составление отчета по лабораторной №5 ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ. ГОУВПО «СМОЛЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ РОСЗДРАВА» ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ЗДРАВООХРАНЕНИЮ И СОЦИ- АЛЬНОМУ РАЗВИТИЮ» Кафедра медицинской и биологической физики Тема: Медицинская электроника Лабораторная работа 3э Изучение усилителя электрических сигналов Студент:_________________________ Группа: _________________________ Преподаватель:___________________ Дата:____________________________ Смоленск 97 5.2 Цели работы 1. Снять амплитудную и частотную характеристики усилителя; 2. Уметь определять по ним основные метрологические характеристики усилителя – коэффициент усиления, динамический диапазон, частот- ный диапазон на уровне затухания 3дб; 3. Сделать вывод о возможности использования данного усилителя в ка- честве усилителя биоэлектрических сигналов. Основные понятия Знать основные метрологические характеристики усилителя. Усилительный каскад на транзисторе и принцип его работы. Приборы и принадлежности Звуковой генератор, электронный усилитель, ламповый вольтметр перемен- ного тока, соединительные провода. Рис.1. Внешний вид экспериментальной установки 5.3 Краткое теоретическое введение Метрологические характеристики усилителя определяются по графикам амплитудной и частотной характеристики. Для снятия амплитудной и частотной 98 характеристик используются, кроме усилителя, звуковой генератор и ламповый милливольтметр, соединённые по схеме, показанной на рисунке: Рис.2. Блок-схема экспериментальной установки Усилитель подключается к звуковому генератору через делитель напряже- ния, который находится на входе усилителя. Коэффициент делителя m = 100 1 Делитель позволяет снизить входной сигнал усилителя до уровня опти- мального и исключить возможные амплитудные искажения усилителя. Основные метрологические характеристики (теоретические) и пара- метры УБП: 1. Коэффициент усиления усилителя: K ус = U вых /U вх (1) 2.Номинальный коэффициент усиления: К ном = 6 В/U сигн. min (2) 99 Калибровка усилителя – методический приём борьбы с амплитудными (нелинейными) искажениями. 3. Коэффициент нелинейных искажений: К н.и. = (U ном - U вых )/U ном (3) 4. Рабочий диапазон воспроизводимых частот усилителя - диапазон ча- стот, в котором допустимы 30% частотные искажения. 5. Входное сопротивление усилителя: R э-к U вх убп Е I вх R вх I вх Е - ЭДС источника биопотенциалов; R э-к - переходное сопротивление электрод-кожа; R вх - входное сопротивление усилителя биопотенциалов; I вх - величина входного тока, обусловленного напряжением входного сигнала Е; U вх - величина входного напряжения УБП. R вх должно быть более 10 9 Ом Основные требования к УБП: 1. m ус m сигнала - иначе возникнут амплитудные искаже ния 2. н ус ≤ н сигнала - иначе возникнут частотные искажения 3. в ус в сигнала 100 Практическая часть Снятие амплитудной характеристики усилителя Включить после разрешения преподавателя звуковой генератор и ламповый вольтметр в сеть с напряжением 220В, а усилитель к источнику питания с напряжением 20В. Установить на генераторе частоту 1000Гц. Подавая от звукового генератора на делитель усилителя напряжение от 0 до 30мB, через каждые два милливольта измерять напряжение на вы- ходе усилителя. Полученные данные занести в таб.1. Таблица 1 № п/п Выходное напряжение генератора U ген. , мВ. Входное напряжение усилителя U вх. =U ген. ∙ 100 1 , мВ. Выходное напряжение усилителя U вых. , В. Необходимость делителя пояснена на стр.95. Снятие частотной характеристики усилителя Установить на входе усилителя напряжение, соответствующее сере- дине линейного участка амплитудной характеристики, и в дальнейшем поддерживать его постоянным. Измерить выходное напряжение усилителя на частотах 20, 30, 50, 70, 100, 200, 500, 700, 1000, 2000, 3000, 5000, 10000, 20000Гц. Результаты за- нести в таб. 2. Таблица 2 Частота ν, Гц Выходное напряжение генератора U ген. , мВ Входное напряжение усилителя U вх. =U ген. ∙ 100 1 , мВ. Выходное напряжение усилителя U вых. , мВ Коэффициент усиления К ус. = вх. вых. U U 5.5 Обработка результатов эксперимента 101 По полученным данным построить амплитудную характери- стику – график зависимости выходного напряжения усилителя от входно- го U вых. = f(U вх. ). график строить в десятичном масштабе. Выделить на графике амплитудной характеристики линейный участок и определить по нему метрологические характеристики усилите- ля: коэффициент усиления К ус. и динамический диапазон m. Uвых.В U вх,mV Рис.3. Амплитудная характеристика УБП По полученным данным построить частотную характеристику усилителя – К ус. = f(ν) в полулогарифмическом масштабе (частота в логарифмическом мас- штабе, коэффициент усиления в десятичном масштабе). К ус Lg(ν ) Рис. 4. Частотная характеристика Определить по частотной характеристике полосу воспроизводимых (рабочих) частот на уровне затухания 3дБ. По результатам работы сделать вывод о возможности использования 102 данного усилителя в качестве усилителя биопотенциалов. Рассчитать номинальный коэффициент усиления для каждого из фи- зиологических сигналов, приведённых в учебном пособии «Медицинская и биологическая физика с основами медицинской электроники» под ред. проф. С.К. Кириллова в разделе «Виды физиологических сигналов и их характеристики» таб.1 , по формуле: К ном. = min 6 U В , (4 ) где 6В – минимальное амплитуда напряжения, которая необходима для работы регистрирующих устройств; U min.. – минимальная амплитуда дан- ного сигнала. Провести сравнительный анализ метрологических характеристик усилителя и каждого физиологического сигнала. Сделать вывод, при фор- мулировке которого учесть условия возможности применения данного усилителя для усиления сигнала ЭКГ: 1. Номинальный коэффициент усиления данного сигнала должен быть не больше рассчитанного коэффициента усиления усилителя: К ном. ≤ К ус. 2. Динамический диапазон сигнала должен быть не больше динамическо- го диапазона усилителя : m cигн. ≤ m. 3. Полоса частот сигнала должна находиться внутри полосы воспроизво- димых частот данного усилителя, т.е. ν ниж.сигн. ≥ ν ниж.усил. , а ν верх. сигн. ≤ ν верх. усил. Если выполняются все три условия, то данный усилитель можно ис- пользовать для усиления физиологического сигнала. Приложение. Построение логарифмической шкалы Логарифмическая шкала – это шкала, размеры делений которой равны логарифмам чисел, а обозначены они самими этими числами. Прежде чем строить шкалу в логарифмическом масштабе, необходимо найти логариф- мы частот: Часто- та, Гц 20 30 50 70 100 200 500 700 1000 2000 Логарифм частоты 1,30 1,48 1,70 1,85 2,00 2,30 2,70 2,85 3,00 3,30 3000 5000 10000 20000 3,48 3,70 4,00 4,30 103 Рисунок 1. Логарифм частоты. Десятичный масштаб. 1 2 3 4 Рисунок 2. Частота, Гц. Логарифмический масштаб. 10 100 1000 10000 Рис.5. Сопостовление десятичного и логарифмического масштабов На рис. 1 в десятичном масштабе отложены логарифмы частот. На рисунке 2 отложены частоты в логарифмическом масштабе. Сопоставим эти оси. Штрих 1 на рисунке 1 соответствует штриху 10 на рис. 2. Действительно, lg10 = 1. Штрих 3 на рисунке 1 соответствует штриху 1000, ведь lg1000 = 3. Таким образом, чтобы отложить частоту 50 Гц в логарифмическом масштабе, нужно найти точку 1,70. Она будет соответствовать частоте 50Гц в логарифмическом масштабе. Конечно, ось «логарифм частоты в десятичном масштабе» на графике отражать не нужно. Рисуем сразу ось «частот в логарифмическом масштабе», откладываем на ней логарифмы частот, а подписываем сами частоты, как на рис. 2. 5.6 Выводы по работе Вопросы для самоконтроля 1. Что называется амплитудной характеристикой УБП? При каких условиях она снимается? Начертите график амплитудной характери- стики УБП. 2. Как определяется частотный диапазон УБП для переменного и по- стоянного токов 3. Многокаскадный усилитель на транзисторах, назначение элементов схемы, основное преимущество. 4. Причины возникновения частотных искажений и методы их устра- нения. Допустимый уровень частотных искажений при снятии био- логических сигналов? 104 5. Причины необходимости усиления физиологических сигналов. Ос- новные параметры физиологических сигналов, что они характери- зуют. (привести примеры сигналов). 6. Что называется частотной характеристикой УБП, при каких услови- ях она снимается? Начертите график частотной характеристики УБП. 7. Методика создания р-n перехода, процессы на границе раздела по- лупроводников. Принцип действия полупроводникового диода (привести рисунки, подтверждающие принцип действия). 8. Причины возникновения амплитудных искажений, как их устра- нить? Допустимый уровень амплитудных искажений при снятии биологических сигналов? (нарисовать временные зависимости с ис- кажениями и без искажений). Основная литература 1. Курс физики: Учебник для вузов / А.Н. Ремизов, А.Я. Потапенко- 2-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2004.--720 с.: ил. 2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика, изд. 3-е, испр. М.: Высшая школа, 1987. -- 643 с. Дополнительная литература 1. Кириллов С.К., Клементьев В.Н., Адамов П.Г., Козлова Е.К. Меди- цинская и биологическая физика с основами медицинской электро- ники (Учебное пособие для студентов первого курса СГМА по под- готовке к экзамену по медицинской и биологической физике). Смо- ленск, 2004.—155с. 2. Методические указания для студентов. / Под ред. А.И. Смирнова, СГМА,1985, выпуск 4, стр. 3 – 17. |