Электронные усилители

Электронный усилитель – это устройство для увеличения электрического напряжения, силы тока или мощности за счет вешнего источника электрической энергии. Большинство биологических сигналов имеют весьма малую амплитуду и требуют её увеличения. Поэтому электронные усилители широко применяются в медицинской аппаратуре. Усилители необходимы для усиления относительно слабых электрических потенциалов, возникающих в сердце, мышцах, мозге и других органах человека, а также для усиления электрических сигналов, поступающих от различных датчиков. Электронные усилители являются частью полиграфов – сложных многоканальных комплексов, которые регистрируют различные процессы, происходящие в организме, и применяются для диагностических и научных целей.

В прошлом схемы усилителей создавали на основе использования отдельных полупроводниковых приборов: транзисторов, резисторов, конденсаторов и др. Вследствие этого они были сложными и дорогими. Сейчас используют операционные усилители – интегральные микросхемы, изготавливаемые из полупроводниковых материалов как единое целое.

На рис. 5 показано символическое изображение операционного усилителя. Он имеет два входа, на которые подаются напряжения U ₁ и U ₂. Входное напряжение равно их разности U _вх = U ₁ – U ₂. Входной ток усилителя равен входному напряжению, делённому на сопротивление входа. Усилитель имеет один выход, на который выходное напряжение

Рис. 5. Символическое обозначение операционных усилителей

U _вых. Оно пропорционально входному напряжению, увеличенному во много раз. Все напряжения измеряются относительно заземлённой цепи. К усилителю подключают источник питания, напряжение которого обычно составляет 15 В. На базе отдельных операционных усилителей создают более сложные усилительные приборы с разными требуемыми характеристиками.

Коэффициент усиления является одним из важнейших показателей работы усилителя. Коэффициентом усиления по напряжению называется отношение изменения напряжения на выходе усилителя ΔU_вых к вызвавшему его изменению напряжения на входе ΔU_вх. Аналогичный смысл имеет коэффициент усиления по току.

,

Коэффициент усиления – безразмерная величина. Чтобы избежать больших чисел, его обычно выражают в децибелах – единицах логарифмической шкалы. Усиление измеряемой величины в 10 раз соответствует 10 децибелам.

Усиление, достигаемое с помощью одного операционного усилителя, обычно недостаточно велико. Поэтому применяются, как правило, усилители, состоящие из нескольких последовательно включенных ступеней усиления, которые называют каскадами. Напряжение, усиленное первым каскадом, подается на вход второго каскада и т.д. Чаще всего в медицинской аппаратуре применяют трех- или четырехкаскадные усилители. Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных его каскадов (выраженных в безразмерных единицах).

Свойства усилителя в значительной степени зависят от характера связи между отдельными его каскадами. Применяется два вида связи: прямая связь либо ёмкостная связь через конденсаторы. Усилитель с прямой межкаскадной связью способен усиливать не только переменный, но и постоянный ток. Его называют усилителем постоянного тока. Конденсаторы, как известно, не пропускают постоянный ток. Поэтому усилитель с ёмкостной связью между каскадами, является усилителем переменного тока. В медицинской аппаратуре чаще используются усилители переменного тока при условии, что их характеристики соответствуют характеристикам усиливаемых электрических сигналов. Применение усилителей постоянного тока, более сложных по конструкции, ограничивается случаями, когда необходимо усиливать постоянный входной ток или очень медленные его колебания.

Конструктивные особенности разных усилительных приборов многообразны. Однако все они могут быть описаны с помощью определённых характеристик, которые следует учитывать в процессе эксплуатации усилителей для того, чтобы избежать искажений исследуемых электрических сигналов. Основное значение имеют частотная и амплитудная характеристики.

Частотная характеристика электронного усилителя представляет собой зависимость его коэффициента усиления от частоты входных электрических колебаний. Коэффициент усиления может сильно изменяться при увеличении или уменьшении этой частоты. Если говорить о частотной характеристике усилителей переменного тока, следует помнить, что ёмкостная связь между каскадами не пропускает постоянный ток. В связи с этим коэффициент усиления таких усилителей для постоянного тока равен нулю. Коэффициент усиления постепенно увеличивается с ростом частоты входных сигналов и достигает некоторого максимума. Его величина должна оставаться стабильной в пределах как можно более широкой полосы частот (полоса пропускания). При дальнейшем увеличении частоты коэффициент усиления уменьшается вследствие конструктивных особенностей транзисторов и других элементов усилителя.

Частотная характеристика усилителя переменного тока может быть представлена на графике, если отложить по оси абсцисс частоту усиливаемых электрических колебаний, а по оси ординат – коэффициент усиления (рис. 6). На рисунке видны: 1 - полоса пропускания, в пределах которой коэффициент усиления одинаков для сигналов различных частот, 2 - области низких и высоких частот, которые находятся

Рис. 6. Частотная характеристика усилителя переменного тока

за пределами полосы пропускания, поскольку коэффициент усиления сигналов таких частот снижается (завал характеристики).

Для правильного усиления исследуемых сигналов, необходимо, чтобы они по своей частоте не выходили за пределы полосы пропускания. В противном случае они подвергаются так называемым частотным (линейным) искажениям. Например, при недостаточной полосе пропускания в области высоких частот наблюдаются высокочастотные искажения, при которых острые пики сглаживаются, а их амплитуда уменьшается.

Частотная характеристика усилителя постоянного тока отличается от характеристики усилителя переменного тока тем, что не имеет завала характеристики при низких частотах вплоть до частоты, равной нулю, которая соответствует постоянному току (рис. 7).

Рис. 7. Частотная характеристика усилителя постоянного тока

Амплитудная характеристика усилителя отражает зависимость коэффициента усиления от амплитуды входных сигналов. Точность усиления требует, чтобы коэффициент усиления был одинаковым для входных сигналов любой амплитуды. Однако в действительности это требование может быть выполнено лишь частично. Коэффициент усиления может оставаться постоянным лишь при изменении амплитуды входных сигналов в определённом диапазоне, который отражён в амплитудной характеристике усилителей.

Обычно амплитудную характеристику усилителя представляют графиком, в котором по оси абсцисс откладывают амплитуду усиливаемых сигналов на входе усилителя, а по оси ординат – их амплитуду на его выходе ( рис. 8 ). В пределах линейной части этой характеристики (1) входные сигналы усиливаются без искажений, так как коэффициент усиления является постоянным ().

При больших амплитудах график переходит в горизонтальную линию, характеризующую явление насыщения (2). Уровень насыщения определяется в основном напряжением источника питания усилителя. Если амплитуда входных сигналов соответствует работе прибора в режиме насыщения, они подвергаются так называемым нелинейным искажениям: высокие волны оказываются ограниченными по амплитуде (срезанными).

Рис. 8. Амплитудная характеристика усилителя