6 курс / Медицинская реабилитация, ЛФК, Спортивная медицина / Физиотерапия, лазерная терапия / Электронные_устройства_в_медицинских_приборах_2010
.pdf
1/ Q12 +1/ Q22 . 
2
Это переходный коэффициент связи. Если Q1 = Q2, то kMкр = kMt. Поэтому на практике стремятся к выполнению условия Q1 = Q2 = Q. Если kM > kMt, то характеристика деформируется, и вместо одного пика в ней появляются два.
Коэффициент усиления при kМ = kМt можно определить прибли-
женным выражением |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Kи( jω) = j |
mкmнQSсх.к.з(ω0 ) |
× |
|
|
|
kM Q |
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
||||
|
ω0 C1C2 |
|
|
ω |
|
ω |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
− |
0 |
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
1+ jQ |
ω0 |
ω |
|
+ kM Q |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где ω0 = ωк1 = ωк2. При выводе этой формулы пренебрегали влиянием затухания dэкв = 1/Q на форму полосовой характеристики.
Коэффициент усиления на центральной частоте
K |
|
(ω ) = |
m m Q |
2k |
M |
S |
сх.к.з |
(ω ) |
, |
||
и |
к н |
|
|
|
0 |
||||||
|
0 |
ω C C |
2 |
(1+ k 2 |
Q2 ) |
|
|||||
|
|
|
0 1 |
|
|
|
M |
|
|
||
и если kM ≤ kMt = 1/Q, то Kиmax = Kи(ω0).
На рис. 3.26 показана схема двухконтурного полосового усилителя на интегральной микросхеме, построенной по каскодной структуре.
Как отмечалось, каскодное включение существенно ослабляет влияние паразитной обратной связи через проходную емкость, благодаря чему заметно уменьшается вероятность самовозбуждения усилителя. В схеме применяется трансформаторная секция, у кото-
рой можно отрегулировать коэффициент связи kM = |
M |
до |
|
L1L2 |
|||
|
|
требуемого значения путем перемещения сердечника в поле магнитного потока катушки.
Чтобы ослабить шунтирующее действие нагрузки Zн и тем самым способствовать повышению добротности Q2 и стабилизации центральной частоты f0, в схеме на рис. 3.26 применяется неполное
включение нагрузки Zн через емкостной делитель С2′ ÷С2′′.
141
Рис. 3.26. Полосовой усилитель на интегральной микросхеме 175УВ4
Такой способ неполного включения применяют при малом значении коэффициента связи с нагрузкой тн или контуром тк, когда тн или тк захватывают всего несколько витков. При этом возрастает влияние индуктивности рассеяния. В подобных случаях исполь-
зуют емкостной делитель с коэффициентом связи тн = |
С2′′ |
|
|
. |
|
С2′ +С2′′ |
||
Конденсаторы в цепи делителя одновременно используют как емкость выходного контура С2, выбрав емкости С2′ и С2′′ так, чтобы
получить требуемое значение С2 = |
С2′С2′′ |
. |
|
С2′ +С2′′ |
|||
|
|
Использование каскодной микросхемы, особенностью которой является также малая выходная емкость и высокое выходное сопротивление, допускает полное включение усилителя к контуру даже в высокочатотных устройствах, не опасаясь снижения добротности и стабильности центральной частоты f0. Это обстоятельство позволило в схеме на рис. 3.26 использовать полное включение усилителя к контуру.
142
Полосовые усилители на активных RC-фильтрах. Как отме-
чалось, в диапазоне низших и сверхнизших частот применяются избирательные усилители на активных RC-фильтрах с использованием многопетлевых обратных связей, из которых наиболее распространенной является структура с перекрестными связями через звено. Это так называемая LF-структура, рассмотренная в п. 3.4.1.
Одним из основных элементов RC-избирательного усилителя являются резонансные звенья, построенные на основе апериодического звена путем охвата его обратной связью через интегратор. Схемы инвертирующего и неинвертирующего резонансных звеньев приведены на рис. 3.23. Передаточная функция этих звеньев определяется выражением
|
|
|
|
Kр( р) = Kрmax |
p |
ωп |
|
, |
|
|
|||||||
|
|
|
|
р2 + p |
ωп + ωр2 |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где ωр = |
|
|
|
– |
резонансная частота, на которой мо- |
||||||||||||
С R C R K |
|
||||||||||||||||
|
|
|
инв |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
1 |
1 и и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
дуль |
|Kр(jω)| = Kрmax |
достигает |
максимума; Δωп = = ωв– ωн – ши- |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Kрmax |
|
|
R |
|
||
рина |
полосы |
пропускания |
на |
уровне |
|
|
|
; Kрmax = − |
о.c |
и |
|||||||
2 |
|
R |
|||||||||||||||
|
|
Rо.c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Kрmax = |
– коэффициент на резонансной частоте соответст- |
||||||||||||||||
RKинв |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
венно для схем а и б на рис. 3.23.
В случае необходимости добротность резонансного звена можно определить по формуле
Q = |
ωp |
= R С ω |
. |
|
|||
p |
ωp |
о.с 1 р |
|
|
|
|
В промежуточных каскадах целесообразно использовать активный резонатор, который отличается от резонансного звена отсутствием цепи обратной связи через резистор Rо.с. Таким образом, активный резонатор представляет собой двухзвенный элемент, построенный на интеграторе в канале прямой передачи (вместо апериодического звена на рис. 3.23), охваченном обратной связью тоже через интегратор. Передаточная функция активного резонатора определяется выражением
143
K |
р |
( р) = δω |
е |
pωа.р |
, |
||
р2 |
+ ωа2.р |
||||||
|
|
|
|||||
где δωе = ωе – полоса пропускания по уровню единичного усиле-
ωа.р
ния; ωа.р = |
1 |
|
– резонансная частота, на которой АЧХ |
С R C R K |
|
||
|
1 1 и и |
инв |
|
стремится к бесконечности (практически ограничивается коэффициентом усиления ИОУ).
Проектирование, а также наладку избирательных усилителей на активных RC-фильтрах производят на основе прототипа, представляющего собой ФНЧ, с последующим преобразованием частотных характеристик ФНЧ в соответствующие характеристики полосового фильтра. Таким образом, на начальном этапе проектирование полосового фильтра реализуется выполнением формально таких же процедур, что и при проектировании ФНЧ-прототипа. Примером ФНЧ-прототипа может служить рис. 3.12, где показана схема трехзвенного ФНЧ с перекрестными связями, на входе и выходе которого включены апериодические звенья, а в промежуточном каскаде
– неинвертирующий интегратор.
При проектировании ФНЧ-прототипа, предназначенного для реализации полосового усилителя, требуемые частотные характеристики получают включением конденсаторов, емкости которых рассчитывают так, чтобы полоса пропускания апериодических звеньев fп, граничные частоты fв и fн соответствовали значениям полосового усилителя, указанным в техническом задании (ТЗ). При этом ширина полосы пропускания fп = fв – fн совпадает с полосой пропускания ФНЧ-прототипа, определяемой граничной частотой последнего fгр.
Вообще ширина полосы пропускания АЧХ полосового усилителя на любом уровне не меняется при указанном законе преобразования частоты. Поэтому коэффициент прямоугольности полосового усилителя Kп равен этому же коэффициенту своего прототипа (разумеется, если уровень Мз, по которому определяется расширение АЧХ, одинаковой величины).
144
После разработки ФНЧ-прототипа (например, по схеме 3.12) целесообразно произвести наладку, суть которой сводится к соответствующим изменениям параметров элементов схемы прототипа (емкости конденсаторов, сопротивлений резисторов), чтобы установить возможно точное совпадение граничной частоты прототипа fгр = fп и неравномерности АЧХ εi с данными, указанными в ТЗ.
После этого приступают к дополнению схемы ФНЧ-прототипа интеграторами в канале обратной связи для преобразования апериодических звеньев в резонансные, а в промежуточных каскадах – интеграторов в активные резонаторы. Параметры элементов (резисторов и конденсаторов) в схемах интеграторов, включаемых в цепь обратной связи звеньев ФНЧ для их преобразования в резонансные звенья и активные резонаторы, определяют на основании системы уравнений для полосового фильтра [7].
3.6.Импульсные усилители
3.6.1.Назначение и основные параметры импульсных усилителей
Импульсные усилители предназначены для усиления мощности электрических импульсов без заметного искажения их формы. Они широко используются в измерительной и вычислительной технике, телеметрии, телевидении (видеоусилители), многоканальной телефонии, радиолокации и др. областях техники. Важным узлом они являются в приборах экспериментальной физики, биологии, медицине и т.д.
Основными параметрами импульсного усилителя, как и любого
другого, |
являются: коэффициент усиления по напряжению |
|||||||||||||
|
Uн |
или коэффициент усиления по току |
|
|
|
Iн |
; входной им- |
|||||||
Kи = |
|
|
|
|
Ki = |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Uг |
|
|
|
|
(U |
|
|
Iг |
|
||||
|
|
|
|
|
н |
) |
хх |
|
||||||
педанс Zвх = |
U |
и выходной импеданс Zвых |
= |
|
|
|
. |
|||||||
вх |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
(I |
|
|
) |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
Iвх |
|
|
н |
|
|
к.з |
|
||||
В связи с широким спектром импульсных сигналов при использовании импульсных усилителей особую важность приобретает
145
вопрос о линейных искажениях, вносимых усилителем. Эти искажения в случае импульса прямоугольной формы, который служит «пробным камнем» для импульсных усилителей, оцениваются, как известно [4], временем задержки tзд, временем нарастания фронта
tн, относительной величиной выбросов ε, спадом плоской вершины
δи = Uн Uн
импульса на входе.
Можно, конечно, оценку линейных искажений проводить с помощью частотных характеристик (АЧХ и ФЧХ) так же, как это делают для широкополосных усилителей. Однако такой подход не оправдан, так как требует установления связи частотных искажений с параметрами переходной характеристики, что не так просто, хотя теоретически возможно.
В настоящее время проектирование импульсных усилителей проводят на основании требований к переходной характеристике, которые указываются в ТЗ. В области малых времен это: время нарастание фронта переходной характеристики tн и допустимый выброс на вершине ε (иногда указывается и время задержки tзд). В области больших времен для усилителей переменных сигналов с разделительными элементами (конденсаторами или трансформаторами) и блокирующими реактивными цепями указываются
допустимый спад плоской вершины δ |
и |
= |
Uн(tи) |
для прямоуголь- |
|
Uнт |
|||||
|
|
|
|||
|
|
|
|
ного импульса заданной длительности tи и относительное значение
Uвыб (выброс после импульса равен
Uнт
спаду плоской вершины). На основании указанных требований составляют переходную функцию усилителя с оптимальными параметрами. Эта функция используется при схемотехническом синтезе усилителя для определения параметров его схемы.
Особенностью импульсных усилителей является то, что искажения в области малых времен практически не зависят от искажений, вносимых разделительными и блокирующими элементами в области больших времен. Поэтому эти искажения можно анализировать независимо друг oт друга. Это, конечно, существенно упрощает
146
синтез. При этом структурная схема усилителя, число каскадов и звеньев, на основе которых его реализуют, выбор элементной базы в значительной мере определяются требованиями к области малых времен. На основании же требований к области больших времен определяются емкости разделительных и блокирующих конденсаторов или индуктивности обмоток трансформаторов [6].
Проектирование импульсного усилителя для области малых времен обычно производят на основании требований к его переходной характеристике, определяющей искажения идеального перепада напряжения или тока. При этом, разумеется, можно гарантировать воспроизведение импульсов любой формы с меньшими искажениями, чем предусмотренные при синтезе искажения для идеального импульса. Однако такой подход к проектированию усилителя, когда необоснованно завышаются требования к аппаратуре, часто приводит и заметному усложнению схемы. Между тем, при проектировании импульсных усилителей можно достигнуть значительно лучших результатов, если исходя из допустимых искажений усиливаемых импульсов (а не идеального перепада напряжения или тока), установить требования к переходной характеристике, определив таким образом допустимые величины времени нарастания фронта tн и выброса ε.
Имцульсный усилитель обычно состоит из входного и выходного каскадов, между которыми включаются каскады или звенья промежуточного усиления (так называемый промежуточный усилитель). Такое разбиение схемы на части обусловлено тем, что к каждой из них предъявляют специфические требования.
В качестве входных каскадов, как правило, применяют малошумящие усилители, подробно рассмотренные в п. 3.2.3. Как отмечалось, входной предусилитель предназначен для усиления импульсов малой амплитуды, сравнимых с шумовыми сигналами. Поэтому важнейшей функцией предусилителя является обеспечение требуемого отношения сигнал/шум. Наряду с этим предусилитель предназначен для согласования датчика усиливаемых сигналов с промежуточным усилителем без заметного искажения крутых перепадов импульсов. Именно в смысле указанных функций используется термин «усилители с противошумовой коррекцией».
147
3.6.2. Особенности выходных усилителей
Выходные усилители предназначены для формирования импульсов тока или напряжения сравнительно большой амплитуды, которые поступают в нагрузку. Для раскачки выходных усилителей включают предоконечные звенья, которые в микросхемах предшествуют выходным повторителям. При этом нормальная работа аналоговой интегральной микросхемы (АИМС) в выходной цепи импульсного усилителя прежде всего определяется структурой и режимом выходного каскада. Выходной каскад наряду с формированием импульсов большой амплитуды должен обеспечить согласование усилителя с нагрузкой. Суть этого согласования заключается
вследующем. Поскольку АИМС представляют собой универсальные и многофункциональные интегральные микросхемы (ИМС), то они применяются в устройствах самого различного назначения. Поэтому нагрузка АИМС тоже оказывается разнообразной: она может быть низкоомной, иметь заметную емкостную или индуктивную составляющую и т.д. Таким образом, выходной усилитель должен:
-обеспечить передачу мощности заметной величины в нагрузку,
втом числе и в низкоомную;
-произвести быстрый перезаряд емкости и ускоренное изменение тока намагничивания индуктивности нагрузки;
-обеспечить без заметных искажений крутых перепадов импульсов максимальный выходной сигнал (как положительный полярности, так и отрицательной), близкий по амплитуде к предельно допустимым величинам напряжения и тока АИМС (т.е. работать нормально в широком динамическом диапазоне);
-предусматривать (желательно) возможность подключения нагрузки без потребления тока в отсутствии усиливаемого сигнала.
Первым трем условиям наиболее полно удовлетворяет повторитель напряжения, а последнему – двухтактные каскады, работающие в режиме В. Применение режима В одновременно решает и проблему уменьшения рассеиваемой мощности, поскольку в этом режиме транзистор потребляет ток только при поступлении входного сигнала. При этом в аналоговых устройствах коэффициент
148
полезного действия (КПД) такого усилителя оказывается наибольшей величины ( 75%). Это способствует уменьшению рассеиваемой в кристалле мощности (значительная часть отбираемой от источников питания мощности поступает в нагрузку). Режим В связан с необходимостью использования двухтактных усилителей. Они построены на комплементарных парах транзисторов, т.е. на паре n-p-п и р-п-р биполярных транзисторов или на паре полевых транзисторов с n-каналом и р-каналом. Такие пары обеспечивают передачу сигналов как отрицательной, так и положительной полярности без их заметных искажений. При этом сигналы должны иметь сравнительно большую амплитуду. В тех случаях, когда при работе в режиме В возникают заметные искажения, переходят к работе в режиме АВ. Именно поэтому даже в мощных АИМС используется режим АВ. Таким образом, современные АИМС достаточно полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к выходным усилителям.
Внастоящее время выпускаются сравнительно высокочастотные
ибыстродействующие интегральные операционные усилители (ИОУ), максимальное выходное напряжение которых составляет сотни вольт. Например, высоковольтные ИОУ 3583, 3584 фирмы Burr-Brown обеспечивают максимальное выходное напряжение
Uисmax = ±(140÷145) В. Первая из этих микросхем (имеющая внутреннюю коррекцию) с частотой единичного усиления f1кop = 5 МГц обладает достаточно высоким коэффициентом передачи Kис = 118 дБ (800 В/мВ). Частота пропускания сигналов максимальной мощности fр достигает 60 кГц (при нагрузке Rн = 10 кОм), а максимальная скорость нарастания (спада) выходного импульса VUвых = 30 В/мкс. Эти же параметры для микросхемы 3584 составляют соответственно: f1ис = 7 МГц; Kис = 120 дБ (1000 В/мВ); fр =135 кГц и
VUвыx = 150 В/мкс.
Как видно, ИОУ 3584 имеет более высокие значения частот f1ис, fp и большую скорость нарастания выходного импульса VUвыx, чем ИОУ 3583. Это обусловлено тем, что микросхема 3584 не снабжена внутренней коррекцией. Для ИОУ 3584 предусмотрен специальный вывод на корпусе для подключения внешней цепи коррекции, состоящей из резистора Rкop и последовательно подключенного к не-
149
му конденсатора Скор. Такие же микросхемы выпускаются компанией Apex с маркировкой РА83 и РА84.
На основе представленных ИОУ можно строить высоковольтные выходные каскады импульсных и широкополосных усилителей соответственно микросекундного и мегагерцового диапазонов. При этом наибольшая амплитуда выходного сигнала Uвыхmнб сравнима с максимальным выходным напряжением микросхемы Uиcmax. Однако получение указанных характеристик возможно только при умелом проектировании схемы усилителя.
На указанных АИМС и аналогичных им высоковольтных микросхемах строят усилители с потенциальным выходом. Эти устройства работают на сравнительно высокоомную нагрузку с емкостной реакцией. Примером схемы с потенциальным выходом является выходной каскад импульсного усилителя осциллографических установок с электростатической электронно-лучевой трубкой.
Отдельно рассматриваются усилители с токовым выходом. Одним из основных параметров этого типа усилителей является наибольшая величина обеспечиваемого ими тока нагрузки Iнmнб. Такие усилители, как правило, работают на низкоомную нагрузку. Примером такой нагрузки может служить согласованный кабель или индуктивная катушка магнитной системы отклонения электронного луча в различных электровакуумных приборах. Усилители с токовым выходом тоже можно реализовать на высокочастотных АИМС, диапазон изменения выходного тока которых Iисmах превышает (0,1– 10)А. К таким микросхемам относятся АИМС 3571–3573.
3.6.3. Импульсные усилители с потенциальным выходом
Такие усилители предназначены для формирования импульсов напряжения сравнительно большой амплитуды. Как известно, в импульсных усилителях наибольшая амплитуда выходного сигнала Uвыхmнб ограничивается допустимыми искажениями фронта и среза выходного импульса (которые характеризуются их длительностью tфр.вых). Наибольшая амплитуда выходного сигнала также ограничивается допустимым входным напряжением Uвх.доп.
150