Усилители. Его виды и классификация.

ЯГМА

Медицинская физика

Лечебный факультет

Курс

Семестр

Лекция № 9

«Усилители »

Составил: Дигурова И.И.

Бабенко Н.И.

Г.

Усилители. Его виды и классификация.

Усилитель – это электронное устройство для усиления амплитуды входных электрических сигналов за счет внешнего управляемого источника энергии.

Усиление внешних входных сигналов удобно рассмотреть на примере абстрактного трехкаскадного усилителя. Каждый каскад - это самостоятельный усилитель, выполняющий свою собственную задачу.

Структурная схема усилителя:

Назначение элементов схемы:

а – источник входного сигнала. В медицине это может быть:

- электроды на теле человека (при снятии электрокардиограммы),

- микрофон на теле человека (при записи фонокардиограммы).

1.Входной каскад – предназначен для передачи сигнала от источника к последующим каскадам с минимальными искажениями слабого входного сигнала, т.е. для согласования усилителя с источником входного сигнала. Коэффициент усиления входного каскада очень близок к единице. Его основное назначение – это исключить влияние усилителя на источник сигнала.

2.Промежуточный каскад – необходим для усиления сигнала, поступающего с выхода первого каскада, до уровня, обеспечивающего нормальную работу выходного каскада, то есть усилить входной сигнал до уровня чувствительности выходного каскада. В усилителях может быть несколько промежуточных каскадов.

3.Выходной каскад – нужен для усиления амплитуды сигнала до значения, заданного техническим заданием на усилитель.

4.Источник питания – выпрямитель или аккумулятор, энергия которых преобразуется в энергию электрического сигнала на выходе усилителя.

б – нагрузка:

- представляет собой устройство, подключённое на выход усилителя.

Это может вольтметр, самописец, принтер, осциллограф.

Усилитель имеет значительное число технических характеристик. Отметим наиболее важные из них.

1. Если усилитель собран на лампах, он называется «ламповый усилитель», на полупроводниках - «полупроводниковый усилитель».

2. В зависимости от формы входного сигнала усилители бывают усилителями синусоидальных (гармонических) колебаний, усилителями импульсных сигналов, усилителями медленно меняющихся сигналов произвольной формы (усилителями постоянного тока -УПТ).

3. Входной сигнал характеризуется не только амплитудой, но и частотой. По полосе пропускания рабочих частот усилители бывают:

· широкополосные усилители (полоса пропускания от нескольких десятков герц до десятков мегагерц);

· узкополосные усилители ( полоса пропускания частот в несколько десятков герц ).

4. Усилитель усиливает амплитуду входного сигнала. В качестве входного сигнала может быть напряжение, ток, мощность. Поэтому усилитель может быть усилителем напряжения, тока, мощности ( если усиливает одновременно и ток и напряжение ).

Усилители медицинского назначения бывают усилителиями диагностической аппаратуры, лечебной аппаратуры, лабораторных приборов.

Среди усилителей диагностической аппаратуры можно выделить усилители биотоков сердца (электрокардиографы), звуков сердца (фонокардиографы), головного мозга (электроэнцефалографы), скелетных мышц (электромиографы), желудка (электрогастрографы ).

2. Основные эксплуатационные показатели усилителей и их характеристика.

1. Коэффициент усиления – безразмерная величина, показывающая во сколько раз амплитуда сигнала на выходе усилителя больше, чем на его входе. Усилители бывают усилителями напряжения, тока или мощности.

Коэффициент усиления по мощности:

Для многокаскажных усилителей общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Для трехкаскадного усилителя:

= × ×

Докажем данное утверждение для двухкаскадного усилителя.

U1вх U1вых = U2вх U2вых

По определению:

= U2вых/U1вх = U2вых/U2вх × U1вых/ U1вх .

= U1вых/ U1вх, = U2вых/U2вх, следовательно,

= ×

ll

2. Чувствительность усилителя – это минимальное напряжение на входе усилителя, начиная с которого усилитель начинает усиливать входные сигналы.. Чувствительность называют номинальным входным напряжением и измеряют в милливольтах (мВ) и микровольтах (мкВ).

3. Диапазон усиливаемых амплитуд (динамический диапазон) – это те значения амплитуд сигнала на входе усилителя, которые не искажаются при усилении.

Динамический диапазон равен отношению максимального ( ) и минимального ( ) значений амплитуд входного сигнала, которые не искажаются усилителем. Динамический диапазон обозначают символом (Д) и вычисляют по формуле:

Д =

Динамический диапазон может быть очень велик, поэтому на практике его оценивают в логарифмических единицах – децибелах по формуле:

Д дБ=20 lg

Наример, если Д=100000, то ДдБ = 100 дб.

4. Диапазон рабочих частот (полоса пропускания) – это те значения частот входного сигнала, в пределах которых коэффициент усиления не уменьшается ниже уровня 0,7.

Те значения частот, для которых коэффициент усиления равен 0.7, называются граничными частотами. При этом минимальная частота называется нижней граничной частотой, а максимальная – верхней граничной частотой.

Интервал граничных частот называется полосой пропускания усилителя.

В паспортных данных на усилитель полоса пропускания задаётся указанием граничных частот. Пример: нижняя граничная частота 20 Гц, верхняя граничная частота 20000 Гц, полоса пропускания 20 Гц – 20000 Гц будет составлять 19800 Гц, а в паспорте усилителя будет написано:

Полоса пропускания 20 – 20000 Гц

5. Выходная мощность усилителя – это мощность, которую усилитель отдает в нагрузку. Выходная мощность – это полезная мощность усилителя. Обозначается символом Р и определяется (при активном сопротивлении нагрузки) по формуле:

Р =

V – напряжение на нагрузке,

R – активное сопротивление нагрузки.

Различают номинальную и максимальную мощность усилителя.

Номинальная – это такая выходная мощность, при которой нелинейные искажения, вносимые усилителем в выходной сигнал, не превышают 5%.

Максимальная – это такая выходная мощность, при которой нелинейные искажения, вносимые усилителем в выходной сигнал, не превышают 10%.

6. Коэффициент полезного действия усилителя (КПД). Обозначается символом h (эта малая), выражается в процентах и вычисляется по формуле:

h = 100%.

– выходная мощность,

– мощность, потребляемая усилителем

от всех источников питания.

3. Амплитудная и частотная характеристика усилителя.

3.1. Амплитудная характеристика усилителя – это график зависимости амплитуды выходного сигнала усилителя от амплитуды входного сигнала для стандаргной частоты входного сигнала.

Для усилителей звуковых колебаний стандартными частотами входного сигнала являются частоты 400 и 1000 Гц.

Амплитудную характеристику строят в прямоугольной системе координат, где по вертикали откладывают напряжение на выходе усилителя ( ), а по горизонтали напряжение ( ) на входе усилителя.

Амплитудная характеристика усилителя имеет три участка:

1. АB - нижний нелинейный участок.

2. BC - средний прямолинейный участок.

3. CD - верхний нелинейный участок.

График амплитудной характеристики.

Нижний нелинейный участок (АВ) обусловлен собственными шумами усилителя и помехами. Их причинами являются тепловые колебания молекул резисторов, шумы ламп и транзисторов.

Прямолинейный участок (ВС) является рабочим участком. В его пределах коэффициент усиления постоянен и выходное напряжение усилителя пропорционально входному.

Верхний нелинейный участок ( СD ) - это нерабочий участок, участок нелинейных искажений усилителя, вызванных его перегрузкой.

Амплитудная характеристика идеального усилителя представляет собой прямую Uвых = Кус ×Uвх, где учасок ВС часть данной прямой.

Uмин - чувствительность усилителя.

Д = Uмакс / Uмин - динамический диапазон.

3.2. Частотная характеристика усилителя – это график зависимости коэффициента усиления или выходного напряжения от частоты входного сигнала при условии, что входное напряжения постоянно.

Эту характеристику строят в прямоугольной системе координат, где по вертикали откладывают коэффициент усиления ( ) или выходное напряжение ( ), а по горизонтали частоту входного сигнала в логарифмическом масштабе.

У идеального усилителя частотная характеристика представляет прямую, параллельную горизонтальной оси (пунктирная линия). Это означает, что амплитуда входного сигнала для всех частот от нуля до бесконечности усиливается одинаково.

У реальных усилителей частотная характеристика имеет три более или

менее выраженных участка: АВ, ВС, СД.

График частотной характеристики усилителя.

(а) – идеального, (б) – реального.

АB – участок неравномерного усиления амплитуд входного сигнала.

ВС – рабочий участок равномерного усиления амплитуд входного сигнала.

СD – участок неравномерного усиления амплитуд входного сигнала.

Точки В и С в проекции на горизонтальную ось соответствуют нижней и верхней граничным частотам диапазона рабочих частот, а промежуток между этими частотами составляет полосу пропускания усилителя.

Построение частотной характеристики усилителя и определение полосы пропускания усилителя.

Схема установки для снятия частотной характеристики.

1. На вход усилителя подключить генератор синусоидальных колебаний и вольтметр, для контроля входного напряжения.

2. На выход усилителя подключить нагрузку и второй вольтметр для контроля выходного напряжения.

3. Следя по первому вольтметру за постоянством входного напряжения, изменяют частоту входного сигнала от минимальной до максимальной. Снимают зависимость выходного напряжения усилителя от частоты входного сигнала. Данные заносят в таблицу. По данным таблицы строят график – частотную характеристику усилителя: зависимость выходного напряжения от частоты.

Uвых

Umax

0.7 Umax

0 ν мин νмакс ν

4. График частотной характеристики, как правило, имеет колоколообразный вид. В таком случае определяют полосу пропускания усилителя «по уровню 0.7».

Считается, что усилитель работает удовлетворительно, если для граничных частот текущая мощность усилителя по сравнению с максимальной упала в 2 раза:

Рмакс/Р =2 .

Так как Р макс = U²_макс / R_н, а Р = U² / R_н , получим для квадратов амплитуд: U²макс/U ² = 2.

Переходя от квадратов амплитуд напряжений к наряжениям получим:

Uмакс/U = √2,

U = Uмакс /√2 = 0.7 ×Uмакс.

Таким образом, напряжение, соответствующее граничным частотам, находят следующим образом. Максимум выходного напряжения на частотной кривой умножают на 0.7 :

U = 0.7 ×Uмакс

Проводят прямую U = 0.7 ×Uмакс параллельно оси частот. Точки пересечения данной прямой с графиком частотной характеристики дадут значения нижней и верхней частот полосы пропускания усилителя.