Материал: Компендиум

б) специализации измерительных устройств (так, например, в электроэнцеллографах используются усилители, отличные от тех, что используются в электрокардиографах).

3. Частотная характеристика усилителя. Частотные искажения и их предупреждение

Кроме нелинейных искажений, при усилении возможно появление ещё одного вида искажений – так называемых

частотных (линейных) искажений. Рассмотрим причины их появления.

Согласно теореме Фурье, любой периодический сигнал можно представить как сумму гармонических сигналов (синусоид или косинусоид) с кратными частотами. Идеальный усилитель будет усиливать сигналы разных частот

зависеть от частоты. Все гармоники будут усилены в одинаковое число раз, и их сумма даст такой же по форме сигнал, что и на входе. Таким образом, идеальный усилитель не исказит форму сигнала. В реальном же усилителе всегда присутствуют ёмкости и индуктивности, сопротивление которых зависит от частоты. Поэтому в реальном усилителе сигнал на разных частотах может усиливаться в разное число раз, т.е. разные гармоники могут усиливаться по-разному, из-за чего после прохождения через усилитель форма исходного сигнала будет искажена (рисунок 82). На данном рисунке: тонкая сплошная линия – сигнал на входе усилителя, толстая сплошная – на выходе, пунктирными линиями изображены гармоники входного сигнала.

176

Зависимость коэффициента усиления от частоты называется

частотной характеристикой усилителя: kv f ( ) . Доказано,

что в случае, если частотная характеристика меняется в некотором диапазоне частот не более чем на 29%, то искажения сигнала в этом диапазоне будут несущественными, и ими можно пренебречь. Этот диапазон называется полосой пропускания усилителя. Предупреждение частотных искажений сигнала достигается за счёт:

1)использования фильтров, позволяющих выделять некоторый диапазон частот (ФНЧ, ПФ, ФВЧ);

2)специализации измерительных устройств (усилители НЧ сигналов не пригодны для усиления ВЧ сигналов, и т.д.).

4. Многокаскадное усиление, типы связей между каскадами

Зачастую усиления одним усилителем недостаточно, поэтому в таких случаях усилители соединяют последовательно, и они образуют так называемый усилительный каскад. Каждый усилитель в таком случае будет называться каскадом. Общий коэффициент усиления усилительного каскада будет равен произведению коэффициентов усиления его каскадов. Например, если усилительный каскад состоит из двух усилителей с коэффициентами усиления k1 10 и k2 20 , его коэффициент

усиления будет равен k k1k2 10 20 200.

Выделяют следующие типы связи между каскадами:

а) гальваническая; б) емкостная;

в) индуктивная (трансформаторная); г) оптронная;

д) комбинированная (реостатно-емкостная).

5. Обратная связь в электронных усилителях

Под обратной связью в усилителях понимают способ функционирования усилителя, при котором часть сигнала с выхода усилителя передаётся на его вход.

177

Отношение амплитуды, передаваемой по цепи обратной связи на вход усилителя, к выходной амплитуде сигнала,

называется коэффициентом передачи цепи обратной связи:

Uос Uвых .

По сути, этот коэффициент показывает, какая часть выходного сигнала снимается и подаётся обратно на вход.

Отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде усиливаемого сигнала называется коэффициентом усиления схемы с обратной связью:

kсв UUвых .

Отношение амплитуды сигнала на выходе усилителя к амплитуде сигнала на входе усилителя называется

коэффициентом усиления (без обратной связи):

k Uвых .

Uвх

В случае наличия обратной связи амплитуды сигналов

связаны формулой: U ос U U вх , а коэффициенты

соотношением:

kсв 1 k k .

Рассмотрим предельные случаи последней формулы:

а) 0 , (обратной связи нет), тогда получаем kсв k , т.е.

имеем обычное усиление; б) 0 , (сигнал с выхода увеличивает сигнал на входе –

положительная обратная связь), kсв k , т.е. за счёт обратной

связи можно получить прирост коэффициента усиления.

в) 0 , (сигнал с выхода увеличивает сигнал на входе – отрицательная обратная связь), kсв k , т.е. за счёт обратной связи

уменьшается коэффициент усиления.

Для схемы с отрицательной обратной связью относительное изменение коэффициента усиления схемы с отрицательной

178

связью и относительное изменение коэффициента усиления связаны формулой:

силу каких-то причин коэффициент усиления меняется, то для схемы с обратной связью это изменение коэффициента усиления не будет значительным. Такие схемы отличаются большей стабильностью в работе, менее подвержены внешним воздействиям и помехам.

6. Дифференциальный усилитель. Повторитель

Входное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью, определяется по формуле:

Rвх.ос Rвх (1 k) .

При отрицательной обратной связи входное сопротивление усилителя увеличивается, т.е. Rвх.ос Rвх. При полной обратной

связи ( 1) входное сопротивление и коэффициент усиления

схемы с ООС будут равны:

Rвх.ос Rвх (1 k), kсв 1 k k 1, при k 1.

Выходное напряжение в этом случае будет равно U вых kсвU U .

То есть, на выходе повторяется входное напряжение. Усилитель, охваченный стопроцентной отрицательной обратной связью,

называется повторителем (напряжения).

сопротивление и стабильность в работе повторителя позволяет использовать его для согласования сопротивлений между биологической системой и усилительным каскадом. В таком случае повторитель называют предусилителем.

Для усиления слабых биологических низкочастотных потенциалов требуются усилители с большим коэффициентом усиления. Многокаскадные усилители, дающие большие коэффициенты усиления, нестабильны в работе, усиливают спонтанно возникающие шумы, чувствительны к внешним

179

наводкам, перепадам температуры, износу элементов и т.д. Одним из способов усиления низкочастотных сигналов в таком случае является использование так называемых

дифференциальных усилителей. Особенностью конструкции такого усилителя является использование в ней двух одинаковых транзисторов, при этом усилитель усиливает лишь разницу напряжений между этими транзисторами (отсюда и название).

180