Электронные усилители

Как известно, врач продолжает учиться всю жизнь. Но существуют какие-то классические устоявшиеся положения, которые сомнению не подвергается, они воспринимаются подсознательно, как аксиома.

С точки зрения радиолюбителя, казалось бы, ну что принципиально нового может быть в кардиографе: усилитель — одно- или многоканальный с определенными частотными характеристиками и термостабильностью, с определенными допусками по нелинейным искажениям и собственным шумам, стабильностью работы, обеспечиваемой глубокой обратной связью, система регистрации собственно кривой ЭКГ и лентопротяжный механизм, но при определенной граничной частоте не выше 120 Гц амплитуда зубцов уменьшается аж на 30%, а кардиографы с непосредственной записью и инерционным писчиком «практически непригодны для достоверной диагностики на основании формы воспроизводимых зубцов». И если с частотной характеристикой усилителя все понятно и технически решаемо, да и применение АЦП обосновано, то остается вопрос достоверности заключения ЭКГ, записанной на кардиографе с непосредственной записью… Это что же в течение десятков лет диагностировали, описывали, какой выраженности и глубины должны быть изменения в миокарде, чтобы инерционный писчик показал патологические изменения ЭКГ? А ведь до сих пор во многих лечебных заведениях, особенно на «Скорой», применяются такие кардиографы…

1. История электронного усилителя

Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры — радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т.д.

История

1904 г. Ли де Форест на основе созданной им электронной лампы — триода разработал устройство усиления электрических сигналов (усилитель), состоящий из нелинейного элемента (лампы) и статического сопротивления Ra, включенного в анодную цепь.

1932 г. Гарри Найквист определил условия устойчивости (способности работать без самовозбуждения) усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.

1942 г. В США построен первый операционный усилитель — усилитель постоянного тока с симметричным (дифференциальным) входом и значительным собственным коэффициентом усиления (более 1000) как самостоятельное изделие. Основным назначением данного класса усилителей стало его использование в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций над электрическими сигналами. Отсюда его первоначальное название — решающий.

7 стр., 3322 слов

Генераторы и усилители СВЧ-сигналов

... генераторы. Соответственно к приборам О-типа можно отнести также пролетные клистроны и другие лампы СВЧ, использующие прямолинейный электронный ... стенок второго резонатора. Появляющееся между сетками резонатора электрическое поле тормозит электроны, полученная ими от источника ... тепла оставшуюся кинетическую энергию. Как и всякий усилитель, этот клистрон может быть преобразован в автогенератор ...

2. Структура усилителя

Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители), соединённых между собой прямыми связями.

В большинстве усилителей кроме прямых присутствуют и обратные связи (межкаскадные и внутрикаскадные).

Отрицательные обратные связи позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить частотные и нелинейные искажения сигнала. В некоторых случаях обратные связи включают термозависимые элементы (термисторы, позисторы) — для температурной стабилизации усилителя или частотнозависимые элементы — для выравнивания частотной характеристики.

Некоторые усилители (обычно УВЧ радиоприёмных и радиопередающих устройств) оснащены системами автоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки мощности (АРМ).

Эти системы позволяют поддерживать приблизительно постоянный средний уровень выходного сигнала при изменениях уровня входного сигнала.

Между каскадами усилителя, а также в его входных и выходных цепях, могут включаться аттенюаторы или потенциометры — для регулировки усиления, фильтры — для формирования заданной частотной характеристики и различные функциональные устройства — нелинейные и др.

Как и в любом активном устройстве в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания.

3. Виды усилителей

Аналоговые усилители и цифровые усилители

В аналоговых усилителях аналоговый входной сигнал без цифрового преобразования усиливается аналоговыми усилительными каскадами. Выходной аналоговый сигнал без цифрового преобразования подаётся на аналоговую нагрузку.

В цифровых усилителях, после аналогового усиления входного аналогового сигнала аналоговыми усилительными каскадами до величины достаточной для аналого-цифрового преобразования аналого-цифровым преобразователем (АЦП, ADC) происходит аналого-цифровое преобразование аналоговой величины (напряжения) в цифровую величину — число (код), соответствующий величине напряжения входного аналогового сигнала. Цифровая величина (число, код) либо непосредственно подаётся через буферные управляющие усилительные каскады на цифровое выходное исполнительное устройство, либо подаётся на мощный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, DAC) мощный аналоговый выходной сигнал которого подаётся на аналоговое выходное исполнительное устройство.

Виды усилителей по элементной базе :

Ламповый усилитель — усилитель, усилительными элементами которого служат электронные лампы.

Полупроводниковый усилитель — усилитель, усилительными элементами которого служат полупроводниковые приборы (транзисторы, микросхемы и др.).

11 стр., 5272 слов

Основные показатели работы усилителей

... десятков (сотен) килогерц. В усилителях высокой частоты усиление сигнала осуществляется в диапазоне частот, определяемых неравенством fв – fн ... автоматики и телемеханики, в следящих, управляющих и регулирующих системах, счетно-решающих и вычислительных машинах, контрольно-измерительных приборах и т.п. Деление усилителей на типы обычно осуществляют по назначению усилителя, характеру входного сигнала, ...

Гибридный усилитель — усилитель, часть каскадов которого собрана на лампах, часть — на полупроводниках.

Квантовый усилитель — устройство для усиления электромагнитных волн за счёт вынужденного излучения возбуждённых атомов, молекул или ионов.

Виды усилителей по диапазону частот :

Усилитель постоянного тока (УПТ) — усилитель медленно меняющихся входных напряжений или токов, нижняя граничная частота которых равна нулю. Применяется в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике. Основная статья — Усилитель постоянного тока.

Усилитель низкой частоты (УНЧ, усилитель звуковой частоты, УЗЧ) — усилитель, предназначенный для работы в области звукового диапазона частот (иногда также и нижней части ультразвукового, до 200 кГц).

Используется преимущественно в технике звукозаписи, звуковоспроизведения, а также в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике. Основная статья — Усилитель звуковых частот.

Усилитель высокой частоты (УВЧ, усилитель радиочастоты, УРЧ) — усилитель сигналов на частотах радиодиапазона. Применяется преимущественно в радиоприёмных и радиопередающих устройствах в радиосвязи, радио- и телевизионного вещания, радиолокации, радионавигации и радиоастрономии, а также в измерительной технике и автоматике.

Импульсный усилитель — усилитель, предназначенный для усиления импульсов тока или напряжения с минимальными искажениями их формы. Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя. Импульсные усилители имеют очень большую полосу пропускания: верхняя граничная частота нескольких сотен килогерц — нескольких мегагерц, нижняя граничная частота обычно от нуля герц, но иногда от нескольких десятков герц, в этом случае постоянная составляющая на выходе усилителя восстанавливается искусственно. Для точной передачи формы импульсов усилители должны иметь очень малые фазовые и динамические искажения. Поскольку, как правило, входное напряжение в таких усилителях снимается с широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), выходная мощность которых составляет десятки милливатт, то они должны иметь очень большой коэффициент усиления по мощности. Применяются в импульсных устройствах радиолокации, радионавигации, автоматики и измерительной техники.

Виды усилителей по полосе частот :

Широкополосный (апериодический) усилитель — усилитель, дающий одинаковое усиление в широком диапазоне частот.

Полосовой усилитель — усилитель, работающий при фиксированной средней частоте спектра сигнала и приблизительно одинаково усиливающий сигнал в заданной полосе частот.

Селективный усилитель — усилитель, у которого коэффициент усиления максимален в узком диапазоне частот и минимален за его пределами.

Виды усилителей по типу нагрузки :

  • с резистивной;
  • с ёмкостной;
  • с индуктивной;
  • с резонансной.

Усилители в качестве самостоятельных устройств :

14 стр., 6986 слов

Основы работы усилителя мощности

... в автомобильных усилителях и стационарной аппаратуре с выходной мощностью несколько сот ватт. Но наиболее перспективны усилители мощности класса D в полностью цифровом усилителе, поскольку ШИМ - сигнал может быть ... приводят к уменьшению максимального кпд каскада. Усилитель мощности, схема которого приведена на рис. 2.1, может быть использован для усиления сигналов произвольной формы в режиме А или ...

Усилители звуковой частоты

Усилители звуковой частоты для систем проводного вещания.

Усилители звуковой частоты для озвучивания открытых и закрытых пространств.

Бытовые усилители звуковой частоты. В этой группе устройств наибольший интерес представляют усилители высокой верности воспроизведения Ні-Fi и наивысшей верности high end. Различаются усилители предварительные, оконечные (усилители мощности) и полные, сочетающие в себе свойства предварительных и оконечных.

Измерительные усилители — предназначены для усиления сигналов в измерительных целях. Основная статья — Измерительный усилитель (средство измерений).

Усилители биопотенциалов — разновидность измерительных усилителей, используются в электрофизиологии.

Антенные усилители — предназначены для измерений слабых сигналов с антенны перед подачей их на вход радиоприёмника, бывают двунаправленные усилители (для приёмопередающих устройств), они усиливают также сигнал, поступающий с оконечного каскада передатчика на антенну. Антенный усилитель устанавливается обычно непосредственно на антенне или поблизости от неё.

4. Электронные приборы медицинской диагностики. Электрокардиографы

Электрокардиографы применяют для регистрации периодически повторяющейся кривой, образованной наложением элементарных синусоидальных колебаний разных частот, амплитуд и фаз, которые отображают электробиологические процессы в активной сердечной мышце.

В медицинской практике преимущественно применяются электрокардиографы с непосредственной записью, у которых функции регистрирующего устройства выполняет писчик, записывающий колебания гальванометра [1].

Недостатком такого электрокардиографа является иннерционность регистрирующего устройства, которая приводит к заметным искажениям высокочастотного спектра кардиограммы и тем самым ограничивает диагностические возможности аппарата.

Этот недостаток полностью отсутствует у электрокардиографов, в которых в качестве регистрирующего устройства используется осциллограф на электронно-лучевой трубке.

При снятии кардиограммы регистрируемый сигнал, усиливаемый высококачественным электронным усилителем, поступает на вертикальные пластины электронно-лучевой трубки, а на горизонтальные пластины подается линейно изменяющееся напряжение [2] с требуемой скоростью изменения и амплитудой, обеспечивающей развертку электронного луча трубки на полный экран. Это — так называемая развертка осциллографа.

Такой прибор можно использовать для снятия вектор-кардиограммы, представляющей собой векторную сумму двух разностей потенциалов, одна из которых поступает на вертикальные пластины, а другая — на горизонтальные пластины. При этом развертка отключается, а горизонтальные пластины подключаются к выводу второго усилителя, на вход которого подают вторую составляющую результирующего вектора.

Усилители необходимо строить с дифференциальным каскадом на входе, чтобы можно было:

  • использовать инвертирующий и неинвертирующий входы;
  • подавлять синфазные помехи, обусловленные не только наводками в виде фона (с частотой 50 Гц или кратной), а также помехи, вызываемые электрической активностью скелетных мышц пациента, и т.д.;
  • реализовать стандартные отведения [1, 3], обеспечивающие измерение разности потенциалов между двумя участками тела, подключением электродов кардиографа к инвертирующему и неинвертирующему входам дифференциального каскада.

Как известно [1, 3], основными стандартными отведениями являются:

15 стр., 7451 слов

Устройство усилителя мощности звуковой частоты

... требуется использование более мощного усилителя, например на TDA2052 (У034) [3]. Рис. 3. Усилитель мощности звуковой частоты класса "Hi-Fi" на TDA2030 4) «Усилитель мощности звуковой частоты». Усилитель ЗЧ имеет очень ... обеспечивает работу усилителя с глубокой отрицательной ОС. Источник входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не ...

  • I отведение — электроды на левой и правой руке подключаются соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам;
  • II и III отведения — электрод на левой ноге подключают к инвертирующему входу, а к неинвертирующему входу — электрод на правой руке (II отведение) или на левой руке (III отведение).

При указанных правилах подключения электродов на экране электронно-лучевой трубки электрокардиограмма появляется направленная кверху, если поданный на инвертирующий вход сигнал превышает по амплитуде сигнал на неинвертирующем входе.

Усилитель, предназначенный для горизонтальных пластин при снятии векторкардиограммы, желательно также реализовать а дифференциальном каскаде. Промежуточные и выходные каскады усилителей целесообразно реализовать на дифференциальных парах, не прибегая к преобразованию двухфазного выходного напряжения в однофазный, так как усилители электронно-лучевых трубок, как правило, строят с двухфазным выходом.

Точность воспроизведения электрокардиограммы определяется линейными и нелинейными искажениями усиливаемых сигналов.

Линейные искажения определяются АЧХ усилителя. В области низких частот они могут быть полностью исключены, если отказаться от использования разделительных RС-цепей между каскадами и блокирующих конденсаторов в цепях задания и стабилизации режимных токов транзисторов. Однако при этом необходимо предусмотреть меры для установки нулевого уровня, от которого отсчитывается амплитуда зубцов и определяется степень смещения сегментов электрокардиограммы. Для установки нулевого уровня, смещение которого в основном определяется отклонением выходного напряжения входного дифференциального каскада, применяют балансировку каскада [4] путем изменения режимных токов входных транзисторов. В электрокардиографах эту операцию производят при помощи корректора.

Из-за температурного дрейфа выходного напряжения дифференциального каскада происходит смещение нулевого уровня, нестабильность которого мешает определению уровня S-Т и создает условия для ошибочного толкования электрокардиограммы [1].

Влияние температурного дрейфа практически можно исключить использованием высокостабильных источников тока, задающих режимные токи коллекторов, а также охватом отрицательной обратной связью соответствующих звеньев усилителя.

При использовании усилителей с непосредственными связями возникает еще проблема согласования по постоянному току каскадов в последовательной цепи усилителя. Эту проблему решают применением схем сдвига потенциальных уровней [4].

Указанные проблемы, вызывающие смещение нулевого уровня, можно исключить применением разделительной RС-цепи, которую подключают к выходу усилителя. Постоянную времени цепи тр = СрR необходимо рассчитать так, чтобы усилитель передавал без заметного искажения сигналы очень низкой частоты — около 0,25 Гц [1].

В области низких частот существенно сказывается действие шумовых сигналов, обусловленных дисперсией процесса рекомбинации-генерации. Это низкочастотные шумы типа 1/f, амплитуда которых заметно возрастает по мере уменьшения частоты.

6 стр., 2919 слов

Генераторы измерительных сигналов

... низких частот требуются большие величины L и С, что, в свою очередь, ухудшает характеристики генерируемых сигналов. RC - генератор представляет собой усилитель, ... уровня выходного сигнала генератора. Наиболее важным блоком структурной схемы ГНЧ, определяющим диапазон генерируемых частот, погрешность установки и нестабильность частоты, искажения формы сигнала и т.д., является задающий генератор ...

В электрокардиографах и целом ряде других медицинских аппаратов (например, энцефалографах) приходится усиливать сравнительно низкочастотные сигналы (с частотой, иногда составляющей десятые доли герца), поэтому наряду с полезными сигналами усиливаются низкочастотные шумовые сигналы типа 1/f, амплитуда которых может оказаться сравнимой с амплитудой полезных сигналов. При этом точность воспроизведения сигналов прибором характеризуется шумовым показателем.

µш = Uвых.m / кр\Uвых, определяемым отношением амплитуды полезного сигнала Uвых.m к амплитудному значению шумового сигнала кр\Uвых, ш\ (|С/вых, ш\ — среднеквадратичное значение шума, кр — коэффициент, определяющий амплитудное значение шума).

Следовательно, при разработке или выборе низкочастотного усилителя для указанных медицинских приборов необходимо ориентироваться и на коэффициент шума, стремясь к тому, чтобы µш >(10-50).

В усилителях постоянных сигналов прямого усиления проблему уменьшения низкочастотных шумов возможно решить только одним способом — выбором малошумящих транзисторов во входном каскаде, избегая полевых транзисторов, характерной особенностью которых является высокий уровень шумов 1/f. Использование разделительных RС-цепей позволяет еще больше увеличить µш. Практически полностью можно исключить шумы 1/f применением усилителей постоянных сигналов с преобразованием, т.е. МДМ-усилителей, в которых следует использовать модулятор на элементе с низким уровнем шумов 1/f.

Искажения в области высших частот обусловлены инерционностью элементов кардиографа. Считается [1], что пригодный для клинических целей электрокардиограф должен точно передавать сигналы с высокочастотным спектром более 200 Гц. Если регистрирующая система обладает верхней граничной частотой fв, не превышающей 120 Гц, то амплитуда зубцов уменьшается на 30%. Поэтому электрокардиографы с непосредственной записью, где в качестве регистрирующей системы используется инерционный писчик с очень низкой частотой свободных колебаний, практически непригодны для достоверной диагностики на основании формы воспроизводимых зубцов. В электрокардиографах с регистрирующей системой в виде осциллографа без особого труда можно обеспечить воспроизведение сигналов с высокочастотным спектром, составляющим десятки и более килогерц. При этом полностью исключается искажение формы зубцов.

Точность электрокардиограмм зависит и от уровня нелинейных искажений, вносимых аппаратом. Для установления этих искажений электрокардиографы снабжаются потенциометром, при помощи которого контролируется, во-первых, чувствительность усилителя с помощью контрольного милливольта [1] и, во-вторых, уровень нелинейных искажений подачей разнополярных контрольных милливольт. В первом случае подачей контрольного милливольта устанавливается определенный масштаб амплитуды усиливаемого сигнала. По международному стандарту 1 мВ должен обеспечить отклонение 10 мм (в некоторых случаях отступают от этого стандарта).

Во втором случае для установления уровня нелинейных искажений изменяют амплитуду контрольного сигнала и проверяют, соответствует ли отклонение на выходе кардиографа установленному значению контрольного сигнала. Такую проверку проводят для отклонения как вверх, так и вниз.

4 стр., 1856 слов

Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи сигналов

... в аналоговую форму цифро-аналоговым преобразователем, желательно, чтобы полученный аналоговый сигнал был максимально точной копией исходного сигнала. Если входной сигнал меняется быстрее, чем делаются ... аналого-цифровое преобразование, по сути, является нелинейным процессом (поскольку операция отображения непрерывного пространства в дискретное — операция нелинейная). Термин линейный применительно к ...

Для уменьшения нелинейных искажений охватывают усилитель отрицательной обратной связью требуемой глубины. При малых нелинейных искажениях их уровень уменьшается пропорционально глубине обратной связи.

Современные электрокардиографы позволяют осуществлять как одноканальную, так и многоканальную запись кардиограммы [3].

Использование цифрового осциллографа позволяет компьютеризировать данный процесс. Для компьютерной обработки электрокардиограмм преобразуют аналоговый сигнал в цифровой, снабдив усилитель аналого-цифровым преобразователем. Дополнив компьютер базой данных по кардиограммам, составленным медицинскими экспертами, можно установить диагноз исследуемого пациента.

усилитель медицинский электрокардиограф электронный