“Затверджено”

На методичній нараді кафедри медичної

і біологічної фізики від 21 травня 2007 року. Протокол № 14

Зав. кафедри, проф. Шаплавський М.В.

Методична розробка для організації самостійної позааудиторної роботи студентів № 9 на тему:

“ ПІДСИЛЮВАЧІ ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ. ЇХ ХАРАКТЕРИСТИКИ"

Навчальний предмет: біофізика

та медапаратура

І курс,

факультет: медичний № 4 з ВММФФ

спеціальність “сестринська справа”

(бакалаври)

2 Години Чернівці - 2007

1. Актуальність теми:

Підсилювач змінного електричного струму – важлива складова частина електронних медичних апаратів, які використовуються для діагностики та лікування, наприклад, електрокардіографи, апарати імпульсних струмів, тощо. Тому знати принцип дії підсилювача важливо для розуміння дії мед апаратів і знання тих спотворень біологічних сигналів, які можуть впливати на діагноз.

2. Навчальні цілі:

Студент повинен знати:

• будова і принцип дії транзистора, як активного елемента підсилювача;

• схему одно- та багато каскадного підсилювача;

• характеристики підсилювачів;

• суть амплітудних та частотних спотворень.

Студент повинен вміти:

• знімати амплітудну та частотну характеристики підсилювача;

• визначати смугу пропускання даного підсилювача.

3.1 Базові знання:

Дисципліна	Знати
Фізика	Поняття змінного струму. Напівпровідникові р-n переходи та їх випрямляючі властивості Поняття амплітуди, частоти.

3.2 Зміст теми:

Електричні сигнали, що виникають у біологічних об'єктах, мають малі числові значення. Наприклад, біопотенціали при реєстрації електрокардіограм мають величину від 0,1 до 2 мілівольт, енцефалограм - 10 - 300 мікровольт. Такі малі напруги неможливо зареєструвати приладами без додаткового підсилення. Підсилювач - це пристрій, у якому відбувається збільшення електричного сигналу за рахунок зовнішньої енергії. У багатьох випадках підсилювач можна представити як чотирьохполюсник (чорний ящик), що має вхід і вихід (рис. 1). Одним з важливих параметрів підсилювача є коефіцієнт підсилення. Він може бути визначений для напруги, струму і потужності. Коефіцієнт підсилення по напрузі (струму) дорівнює відношенню зміни напруги (струму) на виході до відповідної зміни напруги (струму) на вході:

(1)

Коефіцієнт підсилення по потужності дорівнює відношенню потужності сигналу на виході до потужності сигналу на вході:

(2)

Підсилювач можна виготовити на біполярних і польових транзисторах і мікросхемах. Розглянемо біполярний транзистор. Це є напівпровідниковий пристрій із двома р-n переходами, включеними послідовно. На рис. 2а показаний транзистор прямої провідності, де області напівпровідника р - типу розділені областю напівпровідника n-типу. На рис. 2б показаний розріз транзистора оберненої провідності. Тут області n-типу розділені областю p-типу. Середню вузьку область називають базою, а крайні - емітером (ліворуч) і колектором (праворуч). На схемах транзистори обох провідностей зображують як показано на рис. 2 в) і г). Для розуміння роботи транзистора (рис. 3) розглянемо окремо взятий p-n перехід. p-n перехід - це контакт двох напівпровідників з різними типами провідності. Нагадаємо, що в напівпровіднику p-типу основні носії - дірки, а в n-типу - електрони. Після сполучення напівпровідників з різною провідністю відбувається дифузія електронів з n-області в p-область. У матеріалі n-типу, біля границі розділу, звідки вийшли електрони, залишається позитивний нескомпенсований заряд. На границі розділу виникає подвійний шар зарядів. Електричне поле подвійного шару створює контактну різницю потенціалів. При даній температурі вона досягає визначеного значення і протидіє дифузії носіїв. При рівновазі дифузія припиняється і подвійний шар стабілізується. Так утворюється p-n перехід.

Включимо р-n перехід у зовнішнє електричне коло так, щоб p-область була з'єднана з плюсом джерела, а n-область - з мінусом джерела струму ε (рис. 3). Носії біля границі, що створили контактну різницю потенціалів, зв'язані силами кулонівскої взаємодії і рухатись у зовнішньому полі не можуть. Основні ж носії (дірки й електрони) будуть рухатися до границі розділу. Вони ліквідують подвійний шар, знищують контактну різницю потенціалів і утворюють прямий струм вільних носіїв. Тоді говорять, що p-n перехід включений відносно джерела у прямому (пропускному) напрямку.

Змінимо полярність джерела (рис. 4). У цьому випадку основні носії будуть рухатися від границі розділу, збіднюючи її носіями. Подвійний шар стане ширший, контактна різниця потенціалів зросте, опір p-n переходу збільшиться і струму практично не буде. Тоді говорять, що р-n перехід включений відносно джерела у зворотньому (замикаючому) напрямку.

У біполярному транзисторі на границях розділу матеріалу виникають одночасно два р-n переходи. Для них справедливі всі ті процеси, що розглянуті вище для одного p-n переходу. Але тепер можна створити відразу два кола зі своїми джерелами (рис. 6). Джерело Б₁ підключене до переходу 1 у прямому напрямку, а джерело Б₂ до переходу 2 - у зворотньому. Тому при замиканні тільки одного ключа К₁ струм буде проходити через перехід 1 у колі емітер-база. При замиканні тільки ключа К₂ (ключ К₁ при цьому розімкнутий) струму не буде через перехід 2 у колі база-колектор. Якщо замкнути обидва ключі К₁ і К₂, то струми будуть протікати в обох колах. Це значить, що струм у колі емітер-база викликає появу струму в колі база-колектор. Як це пояснити? Інжектовані з емітера в базу електрони є в ній неосновними носіями і рівномірно розподіляються в ній за рахунок дифузії. Оскільки товщина бази мала (близько 10 мкм), то більшість електронів не встигає з'єднатись з дірками бази і досягає колекторного переходу 2. Біля самого переходу 2 електрони захоплюються полем колектора і переводяться в коло база-колектор, утворюючи струм в ньому. Тому коли струм йде в колі емітер-база, то з'являється струм і в колі база-колектор. Зміна сили струму у вхідному колі (Е-Б) викликає зміну сили струму у вихідному колі (Б-К). Так працює транзистор.

Рис. 7

Рис. 8

Підсилювач, створений на одному транзисторі, називається каскадом підсилювача. Схема каскаду підсилювача з загальним емітером показана на рис. 8. Каскад має вхідний коло - С_вх, перехід емітер-база транзистора і R_Е. У ній діє вхідна напруга U_вх. Каскад має вихідне коло - опір навантаження R_К, переходи транзистора, R_Е, у неї включають джерело живлення E_К . У схемі є дільник напруги живлення R₁ і R₂, вхідний і вихідний конденсатори. Пояснимо роботу каскаду.

Вхідний сигнал утворить на переході база-емітер транзистора вхідний струм, що змінюється у фазі з прикладеною напругою (рис. 7 а,б). Наявність струму в базі веде до виникнення колекторного струму (рис. 7в). При цьому спадання напруги на навантаженні колектора i_KR_K веде до зміни потенціалу колектора U_K, тому що ці напруги зв'язані співвідношенням:

i_KR_K+U_K=E_K=const

U_K=E_K-i_KR_K (3)

Як видно з (3) зростання колекторного струму веде до зменшення потенціалу колектора U_K (рис. 7г). Виділена за допомогою вихідної ємності С_вих змінна складова U_K і буде підсиленим сигналом U_вих каскаду (рис. 7д). Підсилений сигнал у порівнянні із сигналом на вході зсунутий на фазу 180⁰. У реальних підсилювачах працюють кілька каскадів одночасно. Тоді говорять про багатокаскадний підсилювач. Він дозволяє збільшити загальний коефіцієнт підсилення. Схема трьохкаскадного підсилювача показана на рис. 8. У цьому випадку підсилений сигнал з колектора попереднього каскаду подається на базу наступного і зростає по величині. Загальний коефіцієнт підсилення багатокаскадного підсилювача дорівнює добутку коефіцієнтів підсилення каскадів:

(4)

При використанні підсилювача необхідно, щоб він не давав спотворень сигналу. Спотворення у підсилювачі бувають амплітудні і частотні.

К ожен підсилювач має амплітудну характеристику, що описується залежністю U_вих= (U_вх). Вона, як правило, має вид показаний на рис. 9. У визначеному інтервалі вхідних напруг (а - б) характеристика лінійна. Це означає, що між вихідним і вхідним сигналами є прямо пропорційна залежність. Коли вхідний сигнал менший ніж значення а і більший ніж б, пропорційна залежність порушується. Тому якщо змінний вхідний сигнал, змінюючись, не виходить за межі лінійної ділянки характеристики (а - б), то спотворень форми сигналу не буде. У протилежному випадку форма вихідного сигналу буде відрізнятися від форми вхідного сигналу (рис. 10 і 11). Ha рис. 10 вхідний сигнал попадає в межі лінійної ділянки характеристики і вихідний сигнал за формою такий же, як і вхідний. На рис. 104 вхідний сигнал перевищує межі лінійної ділянки, тому форма вихідного сигналу виходить зрізаною і не схожою на вхідний.

К ожен підсилювач має частотну характеристику, що являє собою графік залежності коефіцієнта підсилення від частоти . В ідеальному випадку частотна характеристика була би прямою (рис. 14а). Але в схемі підсилювача є ємності С, індуктивності L, щ о створюють реактивні опори змінному струму. Тому реальна характеристика відрізняється від і деальної (рис. 12).

Рис.182

В області низьких і високих частот коефіцієнт підсилення менший, ніж в області середніх частот. Це означає, що сигнали різних частот підсилюються неоднаково, тобто у різне число разів К. Якщо на вході є складний сигнал, що складається з декількох гармонік, наприклад, біопотенціал мозку, то кожна гармоніка може підсилюватися по-різному. Це приведе до зміни форми вихідного сигналу в порівнянні з формою вхідного. Говорять, що є частотне спотворення сигналу. Це не допускається в медичних підсилювачах, тому що за формою вихідного сигналу лікар ставить діагноз. Потрібно визначити смугу пропускання на характеристиці, тобто таку область частот , у якій коефіцієнт підсилення К мало змінюється: у межах від К_max до K_m/ . Після визначення смуги пропускання працюють так, щоб частоти підсилюваних сигналів не виходили за межі смуги пропускання підсилювача.

У більшості підсилювачів кінцеві каскади виконуються по схемах так званих двотактних диференціальних підсилювачів (рис. 13). З їхньою допомогою одержують більший коефіцієнт підсилення за потужністю, а також гасять сигнали наводки. Схема диференційного підсилювача являє собою два однотактні підсилювачі, з'єднані паралельно щодо загального джерела живлення. При замиканні схеми колекторні струми йдуть одночасно по обох транзисторах. На вхід попадає корисний сигнал і наводка.

Наводка, це сигнал на вході підсилювача внаслідок яких-небудь сторонніх дій, наприклад, це електрорушійна сила індукції в провідниках схеми через зміну магнітного поля середовища. Наводка накладається на підсилюваний сигнал, підсилюється одночасно з ним і спотворює його форму.

Наводки попадають на бази транзисторів відносно загальних точок схеми (землі) в одній і тій же фазі, що веде одночасно до однакової зміни колекторних струмів. Однаково змінюються при цьому потенціали колекторів транзисторів Т₁ і Т₂ (рис. 14а). Сигнал на виході близький до нуля або зовсім відсутній. Корисний сигнал відносно загальних точок схеми подається на бази транзисторів у протифазі. Внаслідок цього колекторні струми змінюються неоднаково. Якщо струм через Т₁ зростає, то струм через Т₂ зменшується. Напруги на колекторах Т₁ і Т₂ також змінюються в протифазі. Вони накладаються, і ми маємо підсилений корисний сигнал без наводки (рис. 14б).