Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010

вать усилитель на некоторой частоте f′ вне полосы пропускания (см. рис. 3.14), можно оценить по приближенной формуле

Из-за разброса параметров элементов усилителя, а также в результате их изменений расчетные характеристики усилителя отличаются от реальных. Эти отклонения АЧХ и ФЧХ принято характеризовать относительной чувствительностью, которая для какойлибо функции у по аргументу х определяется выражением

В резонансных усилителях отклонения АЧХ и ФЧХ целесообразно характеризовать через чувствительности его основных пара-

метров Kmax, Qу и ωр, т.е. через величины SxKmax , SxQу и Sxωp . Зная указанные величины, можно определить чувствительность АЧХ или ФЧХ по формуле

Sxy = SKуmax SxKmax + SQyу SxQу + Sωуp Sxωp ,

принимая у = М(ω) или у = ϕ(ω).

Мы рассмотрели стационарные процессы в резонансных усилителях, т.е. процессы, которые происходят спустя значительное время после включения усиливаемых сигналов. Между тем, при подаче входного сигнала в начальные моменты времени протекают переходные процессы.

В избирательных системах весьма важно установить реакцию усилителя на синусоидальный сигнал с частотой f = fр. Эту реакцию можно установить на основании либо операторных выражений для переходной характеристики усилителя и входного сину-

121

ется выходной сигнал. Аналогичным соотношением определяется время восстановления схемы при выключении входного сигнала.

Резонансные усилители с навесным высокодобротным кон-

туром. В качестве навесных высокодобротных контуров со сравнительно миниатюрными размерами в настоящее время применяются монолитные кристаллические фильтры на основе кварца, пьезокерамические и электромеханические фильтры, представляющие собой LC-контуры.

Монолитные кристаллические фильтры применяются в диапазоне частот от 5 до 150 МГц и способны обеспечивать добротность контура Qк = 1000–250000 при относительной нестабильности частоты ± 10–6 %/°C. В избирательных усилителях, работающих в диапазоне частот от 100 кГц до 10 МГц, можно использовать пьезокерамические фильтры с добротностью Qк = 30–1500 и нестабильностью частоты ±10–4 %/°С. В низкочастотных системах используются электромеханические фильтры, работающие удовлетворительно на частотах от 100 Гц до 20 кГц с добротностью Qк = 50–5000 при нестабильности

fp = ± 5.10–5 %/°С. fp

Интегральный избирательный усилитель с навесным контуром обычно отличается от своего дискретного аналога тем, что усилитель, предназначенный для раскачки контура, выполняется в виде монолитной или гибридной ИМС. В качестве интегрального усилителя применяются высокочастотные усилители переменных сигналов, каскоды, ИОУ.

На рис. 3.16,а показана схема замещения LC-фильтра. В высокодобротных контурах влияние сопротивления утечки rут пренебрежимо мало. Если добротность контура Qк более 6–7, то в полосе пропускания влияние сопротивления потерь1 rL удобно учитывать,

зашунтировав контур эквивалентным сопротивлением потерь

L rLэкв = rLC .

1 В индуктивном контуре rL определяется сопротивлением индуктивной катушки.

123

Усилитель и нагрузку можно подключить к контуру двумя способами: применив полное или неполное включение контура. Первый способ используют, когда активные сопротивления на выходе усилителя |Zвых| и в цепи нагрузки |Zн| в полосе усиливаемых гармоник достаточно велики, чтобы не шунтировать контур и тем самым не снизить добротность усилителя Qy. В противном случае применяют неполное включение контура, подключив частично либо усилитель, либо нагрузку, либо и усилитель и нагрузку, чтобы ослабить шунтирующее действие выходной цепи усилителя и самой нагрузки.

Полное включение контура обычно применяется в усилителях, у которых в области резонансной fр или центральной f0 частоты не проявляется инерционность как нагрузки, так и усилителя, т. е. в области средних частот. В этом случае не трудно подобрать параметры усилителя и нагрузки (входное сопротивление последующего каскада) так, чтобы исключить шунтирование контура усилителем и нагрузкой.

На рис. 3.17 показана схема замещения резонансного усилителя с полным включением контура, на основании которой можно рассчитать его основные параметры.

В этой схеме усилитель заменен эквивалентным источником тока

противлением Rвых (Sсх.кз – крутизна характеристики усилителя при коротком замыкании на его выходе). Из схемы следует, что коэффициент усиления резонансного усилителя определяется соотношением (3.1)

в котором добротность усилителя, его резонансная частота и коэффициент усиления на резонансной частоте рассчитываются по следующим формулам:

125

(где L — полная индуктивность контура). Нагрузка тоже подключается к части индуктивности, образуя связь с коэффициентом трансформации

тн = LLн .

Точный анализ этой схемы оказывается сложным, поэтому следует его упростить, учитывая некоторые особенности реальных усилителей. В частности, если резонансный усилитель обладает добротностью Qy, пре-

вышающей 10, то неполное включение элементов можно заменить полным с соответствующими коэффициентами пересчета токов и

импедансов путем введения приведенных значений Iк.зтк и Zвых

тк2

(вместо Iк.з и Zвых) и аналогичной заменой нагрузки Zн ее приведен-

ной величиной Zн .

тк2

Таким образом, коэффициент усиления избирательного усилителя при неполном включении контура определяется формулой

Kи ( jω) = Uвых = Sсх.кз(jω)тнткZк.экв.

Uд

Чтобы упростить анализ, определим частотно-зависимые параметры при квазирезонансной частоте

Если вблизи этой частоты параметры усилителя и нагрузки меняются незначительно, то такой подход не приводит к заметным погрешностям. При этом существенно упрощаются анализ и расчет ИМС, так как остаются справедливыми соотношения для безынерционного усилителя, т. е.

127

где С0′ и С0′′ – емкости конденсаторов делителя напряжения.

В резонансных и полосовых усилителях на LC-контурах ИОУ не нашли практического применения, так как в высокочастотных избирательных усилителях ИОУ либо оказываются неустойчивыми, либо не способными обеспечить достаточной раскачки контура. Кроме этого ИОУ, шунтируя своим низкоомным выходом LC- параллельный контур, приводит к заметному снижению его добротности. Поэтому в таких устройствах предпочтение отдается специальным интегральным микросхемам, применение которых исключает указанные недостатки.

Для раскачки LC-контуров в интегральных избирательных усилителях особенно целесообразно применение каскодного усилителя с дифференциальным каскадом. В таком усилителе каскодное включение существенно ослабляет влияние паразитной обратной связи через проходную емкость, благодаря чему заметно уменьшается вероятность самовозбуждения усилителя. Кроме того, уменьшается выходная емкость усилителя и увеличивается его выходное сопротивление, что позволяет использовать полное включение контура к усилителю даже в высокочастотных устройствах, не опасаясь снижения добротности и стабильности резонансной частоты. Дифференциальные входы усилителя часто используются для подачи сигнала АРУ или для других целей.

На рис. 3.19 показана схема резонансного усилителя, построенного на интегральном каскодном усилителе с диф-ференциальным каскадом с навесными LC-контурами на входе и выходе.

Резонансная частота усилителя fр = 60 МГц. Цепи питания шунтированы конденсаторами небольшой емкости (С = 1000 пФ). Поскольку усилитель предназначен для работы в высокочастотном диапазоне, то даже при небольшой емкости обратные связи через цепи питания нейтрализуются. Сигнал АРУ подается на вход дифференциального каскада, изменяя ток эмиттера транзистора Т2. При этом ток эмиттера входного транзистора Т3 остается неизменным, поэтому не меняется и входное сопротивление усилителя, что исключает расстройку входного фильтра.

129

Рис. 3.19. Высокочастотный резонансный усилитель на интегральной микросхеме (L1 = 0,23 мкГн; L2 = 0,26 мкГн; C1 = 36 пФ;

C2 = 65 пФ; C3 = 200 пФ; C4 = 27 пФ; C = 1000 пФ каждый)

Резонансные усилители с частотно-избирательной обратной связью. В измерительных устройствах, телеметрических установках, в медицинской биологии, сейсмографии, гидролокации, геологоразведке, электронике часто требуются низкочастотные избирательные усилители.

В усилителях с LС-контуром резонансную частоту fp = 2π 1LC

можно уменьшить увеличением индуктивности L и емкости С. Однако увеличение индуктивности L, в особенности емкости С, непременно связано с понижением добротности контура Qк, поэтому в низкочастотных избирательных усилителях, как правило, избегают использования LС-контуров.

Увеличение индуктивности само по себе не приводит к сниже-

нию добротности контура Qк = ρ , если оно не связано с увеличе- rL

130