Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010

Особенностью импульсных усилителей является также то, что искажения в области малых времен можно рассматривать без учета искажений в области больших времен, и наоборот. Это позволяет проводить синтез в указанных областях независимо друг от друга. При этом определяющим является синтез в области малых времен. Структура промежуточного усилителя, число звеньев, на основе которых реализуют схему, и выбор элементной базы почти полностью определяются требованиями в области малых времен. Поэтому проектирование схемы начинают с синтеза промежуточного усилителя в области малых времен, исходя из допустимых значений времени нарастания фронта переходной характеристики tн.пp и выброса εпр при требуемом коэффициенте усиления Kипр. И только после анализа полученного таким способом эскизного проекта определяют параметры разделительных и блокирующих элементов, постоянные времени которых определяют, руководствуясь допустимыми искажениями выходного импульса в области больших времен.

Характеристики промежуточных усилителей зависят от вида обратной связи: последовательной или параллельной. Выбор обычно решается в пользу первой по следующим причинам. Во-первых, при заданной глубине обратной связи F схема с последовательной обратной связью обеспечивает усиление на единицу больше, чем при параллельной обратной связи. В этом нетрудно убедиться, рассматривая приближенные формулы, определяющие коэффициенты усиления:

(R1 и R2 – сопротивления резисторов в канале обратной связи). Во-вторых, в схеме с параллельной обратной связью имеются

всего две степени свободы (R1 и С1), тогда как при последовательной обратной связи их четыре: R1, C1; R2, C2. Это существенное преимущество, так как степени свободы позволяют проводить параметрическую оптимизацию схемы, обеспечивая тем самым значительное улучшение характеристик усилителя в области малых времен.

Проблему повышения быстродействия усилительного звена наиболее эффективно можно решить соответствующим выбором

161

Коррекция быстродействующим каналом возможна только у ИОУ с дополнительными выводами для подключения корректирующего конденсатора (например, 153УД2). При этом быстродействующий канал, подключаемый к указанным выводам, строят на дискретных элементах. Указанными особенностями реализации объясняется ограниченное применение этого способа коррекции.

Проектирование промежуточных усилителей. Как известно

[6, 7], проектирование электронных устройств связано с выполнением ряда проектных процедур, из которых основными являются следующие.

Математический синтез сводится к составлению математической модели усилителя заданного процесса функционирования и требований к точности, условий эксплуатации, надежности и т.д. В качестве математической модели импульсного усилителя используют его передаточную функцию, которую аппроксимируют функцией, удовлетворяющей исходным данным, которые указываются в ТЗ.

Поскольку эти данные определяют количественно лишь отдельные точки переходной характеристики (tн, tзд, ε), то можно составить множество передаточных функций, удовлетворяющих исходным данным ТЗ. Эту неоднозначность используют для оптимизации в пространстве параметров, которую проводят с целью составления передаточной функции, обеспечивающей более качественное воспроизведение усиливаемого импульса.

Схемотехнический синтез связан с составлением структурной схемы усилителя, которая соответствует математической модели, описывающей функции данного устройства, и определением параметров элементов схемы.

Анализ эскизных проектов представляет собой завершающую процедуру, по результатам которой принимается окончательное решение.

Каждая из указанных процедур представляется в объеме, необходимом и достаточном для выполнения последующей процедуры. Они выполняются на основании данных, включенных в ТЗ по разработке устройства. При проектировании электронных усилителей в ТЗ обычно включаются следующие параметры:

163

Этот параметр задается с указанием уровня допустимых нелинейных искажений.

Все эти параметры содержатся в ТЗ с указанием их допустимых отклонений от номинальных значений, которые возможны из-за разброса параметров элементов схемы и их изменений в температурном диапазоне. Разумеется, в ТЗ включаются сведения, характеризующие конструкцию (масса, габариты, вибростойкость, герметизация и т.д.), а также требования к степени надежности, долговечности и эксплуатационной эффективности прибора.

Схемотехнический синтез, суть которого заключается в составлении электронной цепи, соответствующей заданной математической модели, реализуется в виде структурного и параметрического синтезов.

На этапе структурного синтеза на основе передаточной функции, которая была получена на стадии математического синтеза, устанавливается схема аналогового устройства (АУ), состоящая из соответствующих элементов и звеньев, посредством которых можно реализовать АУ с заданными характеристиками. Как правило, структурный синтез осуществляется эвристическим способом.

На этапе параметрического синтеза прежде всего на основе синтезированной схемы АУ составляется ее передаточная функция

Нс. Затем, сопоставляя коэффициенты передаточной функции Нс с числовыми значениями соответствующих коэффициентов пере-

даточной функции Н, подученной на стадии математического синтеза, получают систему уравнений, из которой определяют параметры активных звеньев, пассивных элементов, цепей обратных связей, корректирующих цепей и др., обеспечивающие реализацию АУ с требуемыми характеристиками.

Основными элементами АУ, прежде всего, являются активные, в качестве которых при дискретной реализации АУ используются усилительные каскады.

В современных АУ в качестве таких элементов наиболее часто применяют аналоговые интегральные микросхемы, представляющие собой многополюсные усилительные звенья. АИМС второго и последующих поколений разработаны и реализованы с таким расчетом, чтобы доминирующими были не более двух полюсов, что и

165

На основании этого соотношения можно установить действие обратной связи

Целесообразно провести нормировку передаточной функции, заменив оператор Лапласа р на нормированный оператор s = ptнор, представив ее в виде функции

можно установить зависимость основных параметров усилителя, к числу которых относятся коэффициент усиления

от импульсной добротности ИОУ

167

ческом режиме, не возникают. Длительность же фронта tн = 3,37tнор оказывается меньше, чем в апериодическом режиме (см. кривые 1 и 2 на рис. 3.31).

Колебательный режим используется для ускорения нарастания выходного импульса, если допустимы выбросы. Он достигается увеличением глубины обратной связи:

b2

F > 1ис . 4b2 ис

При этом полюсы характеристического уравнения определяются комплексно-сопряженными величинами s1,2 = –σ ± jω, где σ =

= 0,5dε, ω= 1−(0,5dε)2 . В колебательном режиме переходная характеристика описывается функцией следующего вида:

h(ϑ) =1−(cos ωϑ+ ωσ sin ωϑ)e−σω ,

на основании которой можно установить, что относительная амплитуда выброса на вершине импульса равняется

Длительность же фронта tн = ϑнtнор можно оценить по величинам

Формула (3.12) является приближенной. В случае необходимости можно воспользоваться таблицами для ε и ϑн, которые приведены в [7].

Как отмечалось, не всегда удается реализовать на одной микросхеме усилитель с требуемыми параметрами. Тогда применяют многозвенные усилители. Структурную схему многозвенного усилителя можно реализовать каскадным включением активных звеньев (рис. 3.32,а) или включением взаимосвязанных звеньев

(рис. 3.32,б).

169