Материал: kompendium_po_fizike

176

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

одинаково

, 

т

.

е

. 

его

коэффициент

усиления

не

будет

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

. 

Рисунок

 82. 

Частотное

искажение

формы

сигнала

, 

состоящего

из

двух

гармоник

177

Зависимость

коэффициента

усиления

от

частоты

называется

частотной

характеристикой

усилителя

: 

)

(



f

k

v



. 

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

10

1



k

и

20

2



k

, 

его

коэффициент

усиления

будет

равен

200

20

10

2

1









k

k

k

. 

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

. 

178

Отношение

амплитуды

, 

передаваемой

по

цепи

обратной

связи

на

вход

усилителя

, 

к

выходной

амплитуде

сигнала

, 

называется

коэффициентом

передачи

цепи

обратной

связи

: 

вых

ос

U

U





. 

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

: 

U

U

k

вых

св



. 

Отношение

амплитуды

сигнала

на

выходе

усилителя

к

амплитуде

сигнала

на

входе

усилителя

называется

коэффициентом

усиления

 (

без

обратной

связи

)

: 

вх

вых

U

U

k



. 

В

случае

наличия

обратной

связи

амплитуды

сигналов

связаны

формулой

: 

вх

ос

U

U

U





, 

а

коэффициенты

соотношением

: 

k

k

k

св







1

. 

Рассмотрим

предельные

случаи

последней

формулы

: 

а

) 

0





, (

обратной

связи

нет

), 

тогда

получаем

k

k

св



, 

т

.

е

. 

имеем

обычное

усиление

; 

б

) 

0





, (

сигнал

с

выхода

увеличивает

сигнал

на

входе

 – 

положительная

обратная

связь

), 

k

k

св



, 

т

.

е

. 

за

счёт

обратной

связи

можно

получить

прирост

коэффициента

усиления

. 

в

) 

0





, (

сигнал

с

выхода

увеличивает

сигнал

на

входе

 – 

отрицательная

обратная

связь

), 

k

k

св



, 

т

.

е

. 

за

счёт

обратной

связи

уменьшается

коэффициент

усиления

. 

Для

схемы

с

отрицательной

обратной

связью

относительное

изменение

коэффициента

усиления

схемы

с

отрицательной

179

связью

и

относительное

изменение

коэффициента

усиления

связаны

формулой

: 

k

k

k

k

k

св

св











1

1

, 

так

как

0





, 

то

k

k

k

k

св

св







. 

То

есть

, 

если

в

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

: 

)

1

(

.

k

R

R

вх

ос

вх







. 

При

отрицательной

обратной

связи

входное

сопротивление

усилителя

увеличивается

, 

т

.

е

. 

вх

ос

вх

R

R



.

. 

При

полной

обратной

связи

  (

1







) 

входное

сопротивление

и

коэффициент

усиления

схемы

с

ООС

будут

равны

: 

)

1

(

.

k

R

R

вх

ос

вх





, 

1

1







k

k

k

св

, 

при

1



k

. 

Выходное

напряжение

в

этом

случае

будет

равно

U

U

k

U

св

вых





. 

То

есть

, 

на

выходе

повторяется

входное

напряжение

. 

Усилитель

, 

охваченный

стопроцентной

отрицательной

обратной

связью

, 

называется

повторителем

 (

напряжения

)

. 

При

больших

значениях

коэффициента

усиления

k

будет

справедливо

неравенство

вх

ос

вх

R

R



.

. 

Большое

входное

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

180

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

).