Аналоговые измерительные устройства

6.4.2. Электронные усилители.

          Электронные усилители по полосе пропускания разделяются на усилители постоянного тока (УПТ) и усилители переменного тока.

Усилители постоянного тока

          Усилителями постоянного тока называются усилители, коэффициент усиления которых отличен от нуля при частоте сигнала равной нулю, или полоса пропускания которых не ограничена снизу.
          По принципу действия УПТ можно разделить на две группы: 1) усилители с преобразованием спектра; 2) усилители без преобразования спектра.
          Усилители первой группы часто называют усилителями МДМ (модуляция – демодуляция).
          Структурная схема УПТ с преобразованием спектра показана на рис. 2.22.

Электронные усилители                        
Рис. 2.22

          Работает усилитель следующим образом. Постоянное входное напряжение Uвх подается на вход модулятора М. Модулированное напряжение усиливается усилителем модулированного сигнала УМС и подается на  демодулятор ДМ. На фильтре Ф выделяется постоянное выходное напряжение Uвых. Цепь обратной связи ОС предназначена для стабилизации работы УПТ.
          В усилителях МДМ используются в основном два вида модуляции: амплитудная (АМ) и амплитудно-импульсная.модуляция  первого  рода  (АИМ-1).
          Полоса частот при АИМ-1 шире, чем при АМ при одинаковых значениях несущей частоты ω0.
          Учитывая неидеальность характеристик элементов усилителя МДМ, несущая частота ω0 выбирается из соотношения   ω0 = (3 – 5)ωmax (ωmax – максимальная частота входного сигнала).
          Выбор модулятора определяется полосой пропускания усилителя, его входным сопротивлением, порогом чувствительности, конструктивными и технологическими параметрами.
          При построении УПТ с преобразованием спектра могут использоваться как электронные, так и электромеханические модуляторы (вибропреобразователи, динамические конденсаторы). Одним из недостатков электромеханических модуляторов является их ограниченный срок службы (3000 – 5000 часов).
          В качестве усилителей модулированного сигнала могут использоваться как избирательные усилители,  так и широкополосные усилители. Выбор типа усилителя  определяется полосой  частот,  занимаемой  модулированным   сигналом.
          В качестве демодуляторов обычно используются транзисторные ключевые схемы или фазочувствительные усилители. В усилителях МДМ могут использоваться диодные мостовые или кольцевые демодуляторы.
          Для подавления гармоник несущей частоты на выходе демодулятора используется фильтр нижних частот., во многом определяющий динамические характеристики усилителя.
          Достоинством усилителей с преобразованием спектра является малый дрейф нулевого уровня.
          К недостаткам следует отнести  принципиальное ограничение полосы пропускания усилителя сверху.
          Промышленностью выпускаются усилители МДМ в интегральном исполнении, например усилитель 140УД13.
          Усилители без преобразования спектра представляют собой усилители с непосредственной (гальванической) связью между каскадами. Они позволяют усиливать сигналы постоянного тока. Усилители с непосредственной связью применяются в качестве широкополосных усилителей с нулевой граничной частотой.
          Основной элементной базой для создания усилителей с непосредственной связью являются линейные интегральные схемы – операционные усилители.
          Погрешности  усилителей  постоянного тока на ОУ появляются вследствие неидеальности параметров ОУ и внешних элементов, а также их нестабильности.
          На  основе ОУ могут быть построены УПТ с пороговым значением порядка 10 – 100 мкВ, входным сопротивлением более 1 МОм и погрешностью менее 0,1%.

Усилители переменного тока

          Усилители переменного тока строятся либо по схеме усилителей с непосредственной связью, либо с резистивно-емкостной или реже с взаимно индуктивной связью.
          В усилителях с непосредственной связью полоса пропускания ограничена только сверху. В усилителях с  резистивно-емкостной или с взаимно индуктивной связью полоса пропускания имеет ограничения как сверху, так и снизу. Ограничение полосы сверху обусловлено паразитными реактивностями элементов и монтажа. В области низких частот неравномерность частотной характеристики усилителя связана с параметрами разделительных элементов.
          Причинами появления погрешностей в усилителях переменного тока являются 1) собственные шумы пассивных и активных элементов схемы; 2) воздействие на усилитель внешних помех; 3) непостоянство коэффициента усиления усилителя за счет изменения: во времени свойств активных и пассивных элементов схемы; условий эксплуатации усилителя; неинформативных параметров сигнала.
          Первые две причины приводят к появлению погрешности нуля, а третья – мультипликативной погрешности. К мультипликативным относятся также погрешности, вызванные наличием нелинейных искажений сигнала, которые зависят от входного напряжения. Следует отметить, что эта зависимость нелинейная.
          Как правило, погрешности усилителей нормируются не более чем двучленной формулой. Несоответствие между реальной функцией погрешности и выражением, использующимся для нормирования, ведет к завышению допустимой погрешности усилителя при некоторых значениях входного сигнала.
          Кроме нелинейных искажений в усилителе присутствуют линейные искажения, которые не связаны непосредственно со значением сигнала, а зависят от скорости его изменения, спектра. Линейные искажения обычно называют частотными.
          Погрешности усилителя, обусловленные частотными искажениями, относятся к динамическим. Для анализа частотных искажений пользуются АЧХ и ФЧХ. На АЧХ различают область низших частот в окрестности нижней граничной частоты fН, область высших частот fВ в окрестности верхней граничной частоты и расположенную между ними область средних частот.
          В усилителях измерительных устройств изменение коэффициента усиления на граничных частотах составляет 1 – 6, реже 10% по сравнению с его значением на средних частотах.

Избирательные усилители

          Избирательные усилители это усилители, полоса пропускания которых сужена с целью отделить сигналы в нужной полосе частот от сигналов, помех, или шумов других частот. В таких усилителях в усилительном тракте или в цепи обратной связи используются частотно-зависимые LC  и  RC-цепи.
          Избирательный усилитель с одним или несколькими резонансными контурами, настроенными на одну частоту называют резонансным.  Данные усилители широко используются в  анализаторах спектра, электронных указателях равновесия мостовых схем.
          Резонансный усилитель обычно реализуется в виде каскадов параллельным резонансным LC–контуром.
          Усилители использующий контур с раcстройкой по частоте,  называют узкополосными
          Избирательные усилители характеризуются избирательностью, которое представляет собой отношение коэффициента усиления К0 на резонансной частоте ω0 к коэффициенту усиления на частоте ωn. Это отношение численно равно коэффициенту частотных искажений на частоте ωn.    


© Copyright 2008, SLAiPS. All Rights Reserved. | Design by Design by analogiu.ru