Выносной предварительный усилитель.

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 15Следующая ⇒

Необходимость применения выносного предварительного усилителя возникает при использовании датчика сигнала с очень большим внутренним сопротивлением. Таким простейшим усилителем может служить усилительный каскад на полевом транзисторе с вынесенной нагрузкой. Схема усилителя изображена на рисунке 5.1. Преимуществом такой схемы является подача питания и вывод усиленного сигнала по единственному экранированному проводу

Рисунок 5.1

Вместе с тем такая простая схема не может обеспечить достаточной стабильности усиления. Более сложная схема, показанная на рисунке 5.2,

Рисунок 5.2

имеет значительно лучшие характеристики. В данной схеме усилителя

используется сто процентная последовательная отрицательная обратная связь по напряжению. Передача сигнала осуществляется по согласованно на-груженному коаксиальному кабелю. Ток затвора транзистора КП303Г не превышает 0,1 нА, что дает возможность включить в цепь затвора сопротивление утечки 100 МОм и повысить тем самым входное сопротивление. Входное сопротивление эквивалентной схемы выносного предварительного усилителя, изображенного на рисунке 5.2, может быть представлено параллельно включенными резистором сопротивлением 1000 МОм и конденсатором емкостью 2,5 пФ. Коэффициент передачи напряжения в диапазоне частот от 10 Гц до 50 МГц лежит в пределах 0,90— 0,92. Среднеквадратичное значение собственных шумов в диапазоне частот от 5 Гц до 300 кГц при замкнутом входе равно 9 мкВ, а при входе, закороченном конденсатором емкостью 100 пФ, равно 10 мкВ.

При большом входном сопротивлении усилителя необходимо обращать особое внимание на шунтирование входа усилителя паразитными и монтажными емкостями. Для их снижения при монтаже на печатной плате входные цепи обязательно должны быть окружены компенсационной дорожкой, на которую необходимо подать сигнал с выхода усилителя. Уровень этого сигнала должен быть как можно ближе к уровню входного.

Резистор сопротивлением 130 Ом, стоящий в цепи, соединяющей датчик со входом усилителя в схеме усилителя на рисунке 5.2, выполняет важную роль, предохраняя усилитель от самовозбуждения. Дело в том, что внутреннее сопротивление некоторых источников сигналов (например, пьезоэлектрических датчиков) на очень высоких частотах может иметь индуктивный характер. Вместе с паразитными емкостями усилительного каскада может реализоваться генератор по схеме емкостной трехточки, как показано на рисунке 5,3. Указанный на схеме резистор снижает добротность колебательного контура и уменьшает вероятность самовозбуждения. Величина сопротивления этого резистора влияет на форму частотной характеристики на высоких частотах.

Если сопротивление слишком велико, то уменьшается полоса пропускания на высоких частотах. При малой величине сопротивления этого резистора возможен подъем усиления на высоких частотах и даже самовозбуждение усилителя.

Рисунок 5.3 Самовозбуждение может возникнуть на частотах более 100МГц. При этом

увидеть его с помощью обычного электронного осциллографа оказывается затруднительно. Однако наличие самовозбуждения может привести к появлению нелинейных искажений, нарушению экранировки и к снижению входного сопротивления. Подобное самовозбуждение может наблюдаться и в других схемах входных усилителей, когда входной сигнал подается на затвор или базу входного транзистора, а сигнал отрицательной обратной связи вводится в цепь истока или эмиттера. Для борьбы с этим самовозбуждением можно рекомендовать такой же прием: ввести во входную цепь, соединяющую датчик с затвором или базой транзистора, резистор последовательно с конденсатором.

Введение в рассмотренную схему скомпенсированного истокового повторителя (рис. 5,4) повышает входное сопротивление до 800 МОм, а входную емкость уменьшает до 0,5 пФ.

Рисунок 5.4 Среднеквадратичное значение уровня собственных шумов равно 35 мкВ

в полосе частот от 2 Гц до 300 кГц при работе с источником сигнала, имеющим чисто емкостное внутреннее сопротивление.

Рисунок 5,5

Коэффициент усиления равен 0,98 в диапазоне частот от 10 Гц до 1 МГц. При передаче слабых сигналов по длинному экранированному кабелю

трудно избежать помех от внешних источников на этот кабель. Этот эффект можно значительно уменьшить, если выносной предварительный усилитель будет иметь большой коэффициент усиления по напряжению. На следующей схеме показан пример такого усилителя

Коэффициент усиления по напряжению его равен 50 в диапазоне частот от 20 КГц до 3 МГц. Уровень собственных шумов, приведенных ко входу, равен 6 мкВ в диапазоне частот от 100 КГц до 1 МГц с емкостным источником сигнала в 68 пФ. Усилитель разрабатывался для работы с пьезоэлектрическим датчиком сигнала.

На рисунке 5.6 показана еще одна оригинальная схема входного усилителя, так называемого «усилителя заряда».

Рисунок 5.6

Усилитель заряда используется, как правило, с емкостными или пьезоэлектрическими датчиками сигналов, что отображено на схеме. Действие схемы усилителя заряда основано на применении так называемого эффекта Миллера. Если в схеме усилителя используется параллельная отрицательная обратная связь и в цепи связи стоит конденсатор С, то входное сопротивление приобретает емкостный характер – появляется входная емкость в 1+Ko раз

больше величины емкости конденсатора С: С_вх=(1+K_o)C. K_o - коэффициент

усиления усилителя по напряжению. Эта емкость может быть очень велика. Так при коэффициенте усиления операционного усилителя Ко=10000 и емкости С=100 пФ, получаем Свх=1мкФ. В то же время емкость датчика сигналов Со может быть равна 100 пФ, а емкость соединительного экранированного кабеля

С_к пусть даже 1000 пФ. При действии механической силы на пьезоэлектрический датчик на нем высвобождается заряд q, пропорциональный этой силе. Этот заряд заряжает параллельно соединенные конденсаторы Со, С_к и С_вх. В результате на входе усилителя появиться напряжение

U1	q		а на выходе	U2 U1Ko	qKo
		,				.
	Co Ck (1 Ko)C				Co Ck (1 Ko)C

В результате выходное напряжение усилителя оказывается практически не зависящим от емкости датчика и емкости соединительного кабеля и определяется только зарядом и емкостью в цепи отрицательной обратной связи усилителя.

U2=q/C

Потому этот усилитель и называется «усилителем заряда». Подробный анализ шумовых свойств усилителя заряда показывает, что если С ≥ Со, то его коэффициент шума оказывается таким же, как и у усилителя на том же операционном усилителе, но включенном по обычной схеме – схеме неинвертирующего усилителя. Важным же свойством усилителя заряда является независимость выходного напряжения от длины экранированного провода, соединяющего датчик сигнала с входом усилителя. В схеме усилителя заряда приходится в цепи отрицательной обратной связи параллельно конденсатору С включать резистор R, стабилизирующий работу усилителя. Без этого резистора отсутствует цепь для стекания входного тока операционного усилителя и режим работы усилителя нарушается. В тоже время подключение резистора R уменьшает коэффициент усиления усилителя на низких частотах и ограничивает нижнюю частотную границу полосы пропускания f_н=1/2πRC.

6.УСИЛИТЕЛИ МЕДЛЕННО МЕНЯЮЩИХСЯ

СИГНАЛОВ

Такие усилители очень часто используются в измерительной технике, поскольку многие измеряемые параметры по своему происхождению не могут меняться быстро. Например, температура, влажность воздуха, уровень заполнения емкости жидкостью и т. п. С другой стороны, в ряде случаев требуется однократное измерение какого-то параметра. В этом случае быстродействие используемого усилителя, как правило, не имеет значения. Для построения усилителей медленно меняющихся сигналов обычно используются операционные усилители. При их использовании часто возникают две проблемы – наличие напряжения смещения и наличие входного тока. Проблема с входным током решается проще. Имеются дешевые широко распространенные операционные усилители с очень малым входным током порядка 1 пА. Например, усилитель TL 082 имеет входной ток порядка 1 пА, а MAX406 имеет входной ток 0.1 пА и напряжение смещения 0.25мВ. На рисунке 6.1 показана полная схема усилителя, с помощью которой можно усиливать ток от 1 пА до 5 нА.

Рисунок 6.1

Для устранения действия наводок со стороны питающей сети на входные цепи усилителя частотная характеристика ограничена со стороны высоких частот величиной в 0.1Гц, для чего в цепи параллельной отрицательной обратной связи включен конденсатор. Этот конденсатор должен иметь сопротивление изоляции много больше 1000 мегом, что бы не нарушалась калибровка коэффициента усиления. Поэтому в качестве конденсатора в цепи параллельной отрицательной обратной связи необходимо использовать высококачественный пленочный конденсатор. Поскольку операционный усилитель MAX406 имеет очень малую величину выходного тока, к его выходу подключают повторитель напряжения на более мощном операционном усилителе. Коэффициент усиления по напряжению MAX406 имеет величину в один миллион, поэтому входное сопротивление усилителя оказывается равным 1000 Ом. Для многих источников входного тока можно считать, что усилитель имеет короткозамкнутый вход. Одновременно снижаются требования к качеству изоляции входных цепей усилителя.

Как следует из схемы замещения (рис.4.10), напряжение смещения включается последовательно с входным сигналом и усиливается усилителем, приводя к смещению уровня выходного сигнала. Например, если усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению равный 1000, а напряжение смещения равно 1 мВ, что типично для многих усилителей, это приведет к смещению уровня выходного напряжения на 1000мВ. Во многих случаях это недопустимо. Применяются разные методы борьбы с вредным влиянием напряжения смещения. Первый метод – это метод компенсации. Рисунок 6.2 поясняет суть этого метода.

Рисунок 6.2 В цепь инвертирующего входа операционного усилителя с помощью

резистора R3 и подстроечного резистора R4 вводится компенсирующее напряжение, так чтобы при Uвх=0 напряжение на выходе так же было равно нулю. Метод компенсации применим к любым операционным усилителям. Однако, поскольку напряжение смещения зависит от температуры, при изменении температуры компенсация нарушается. Лучшие результаты достигаются применением метода балансировки. По существу напряжение смещения возникает из-за того, что при изготовлении операционного усилителя во входном дифференциальном каскаде операционного усилителя технологически не удается обеспечить полную симметрию. В какой-то мере этот разбаланс можно устранить с помощью внешнего подстроечного резистора, подключенного к соответствующим точкам внутренней схемы операционного усилителя. Такая возможность предусмотрена для многих операционных усилителей. На рисунке 6.3 показан один из возможных вариантов.

Рисунок 6.3

Операционный усилитель LF157 имеет напряжение смещения 3 мВ. Используя балансировочное сопротивление его можно снизить в 10-100 раз. Тем не менее, для некоторых применений этого может оказаться недостаточно. Яркими примером является усиление сигнала от термопары. Чувствительность термопары невелика, порядка 5 мкв/град. Если нужно измерять температуру с точностью до 1 градуса, то напряжение смещения не должно превышать 5 мкВ. Методы компенсации и балансировки не могут

дать такого результата в связи с тем, что эти методы не дают достаточной компенсации температурной зависимости.

Выход был найден в использовании автоматической компенсации. Для этого были разработаны специальные операционные усилители, имеющие в своем составе электронные ключи, генераторы импульсных сигналов, схемы запоминания и операционные усилители. В этом устройстве время от времени вход операционного усилителя отключается от источника сигнала и зануляется (U_вх=0), а выходное напряжение, существующее до этого момента, запоминается на выходе. При этом выходное напряжение подается на вход другого операционного усилителя, где сравнивается с нулевым потенциалом, усиливается и подается на второй вход первого операционного усилителя в качестве напряжения компенсации. Это

напряжение запоминается и сохраняется до следующего момента

автокомпенсации. Такой процесс позволяет получить очень низкое значение результирующего напряжения смещения и малую его зависимость от температуры. Так усилители 140УД24 и ICL7650 имеют напряжение смещения 2-5 мкВ и температурный дрейф напряжения смещения порядка 0.05мкВ/град.С.

Рисунок 6.4 На рисунке 6.4 показана схема включения операционного усилителя

ICL7650 для усиления сигнала с термопары. Как и в схеме 6.1, для уменьшения наводок со стороны питающей сети, полоса пропускания резко ограничена со стороны высоких частот.

ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ.

Широкополосные усилители, как показывает их название, усиливают сигналы в широкой полосе частот. Частотная характеристика их имеет вид, показанный на рисунке (7.1). Для широкополосного усилителя fв>>fн.

Рисунок 7.1 Конечно, этому требованию отвечают и усилители медленно меняющихся

сигналов, однако главной проблемой у широкополосных усилителей является получение достаточно большого значения fв, в то время как у усилителей медленно меняющихся сигналов обычно такой проблемы нет. Рассмотрим простейший широкополосный усилитель, выполненный на операционном усилителе по инвертирующей схеме (рисунок 7.2). Его нижняя частотная граница определяется параметрами входной разделительной цепочки f_н=1/2πR₁C, а верхняя зависит от предельной частоты используемого операционного усилителя f_T и коэффициента усиления fв=f_T/K_U.

Рисунок 7.2

Операционный усилитель TL082 имеет предельную частоту усиления f_T=3 MГц. Экспериментально для схемы рисунка 7.2 было определено значение fв=30КГц, что соответствует результату вычислений по приведенной выше

формуле, так как K_U=R₂/R₁=100. В полосе частот полосы пропускания от 15 Гц до 30 КГц уровень собственных шумов, приведенных к входу, оказался равным 3,8 мкВ при замкнутом входе усилителя. Для этой же схемы с использованием операционного усилителя LM358 верхняя граничная частота полосы пропускания оказалась равной 6,8КГц, что оказалось заметно меньше расчетного значения в 10 КГц. Уровень собственных шумов, приведенных к входу, оказался практически таким же, как у и предыдущего операционного усилителя. Неприятным фактом для усилителя LM358 оказалось наличие заметных искажений формы сигнала при больших значениях выходного напряжения.

Такие же результаты по полосе пропускания и уровню собственных шумов при замкнутом входе получаются и при использовании неинвертирующей схемы.

Рисунок 7.3.

Однако неинвертирующий усилитель имеет очень большое входное сопротивление и его можно подключать к источнику сигнала с большим внутренним сопротивлением. С усилителем TL082 и источником сигнала с внутренним сопротивлением 100КОм уровень собственных шумов, приведенных к входу, оказался равным 11мкВ, а для LM358 - 5.6мкВ.

Если снизить коэффициент усиления LM358 до 10 единиц, то верхняя граничная частота должна увеличится до 100КГц. Практически увеличилась до 70 КГц.. Однако усилители с предельной частотой усиления порядка 1 МГц имеют ограничения по скорости изменения выходного напряжения порядка 0,2-

0,5 В/мкс. В результате, при попытке получить выходной сигнал с амплитудой 10 вольт, начиная с частоты 5 КГц у LM358 появились искажения, связанные с недостаточной скоростью изменения выходного сигнала. Для устранения этих

искажений требуется применить		усилитель с большей	скоростью.
Следовательно,	несмотря на	всю привлекательность	применения

операционных усилителей для построения широкополосных усилителей, видно, что они не всегда хорошо справляются с этой задачей. Почему операционные усилители плохо усиливают высокие частоты совершенно ясно. Операционный усилитель это многокаскадный усилитель. В каждом каскаде поворачивается фаза сигнала на некоторый угол. Для того чтобы операционный усилитель при наличии отрицательной обратной связи не возбуждался используется цепь коррекции резко уменьшающая усиление на высоких частотах. В связи с этим при построении широкополосного усилителя с большим значением верхней граничной частоты в ряде случаев практичнее не использовать очень быстродействующий операционный усилитель, а использовать транзисторную схему. На рисунке 7.4 показана транзисторная схема, которая обладает свойствами простейшего операционного усилителя. По многим параметрам она хуже стандартного операционного усилителя кроме одного, в данном случае самого важного. Она очень быстродействующая, так как в ней используется двухкаскадный усилитель и не требуется применять цепь высокочастотной коррекции.

Рисунок 7.4

На рисунке 7.5 показано применение этой схемы в усилителе с отрицательной обратной связью.

Рисунок 7.5 Без отрицательной обратной связи этот усилитель имеет довольно скромный

коэффициент усиления по напряжению 1200. С включенной цепью отрицательной обратной связи коэффициент усиления снижается до значения 100 с верхней граничной частотой в 6 МГц. Небольшой конденсатор С2 в цепи отрицательной обратной связи необходим для выравнивания частотной характеристики на самых высоких частота, где без него обнаружился подъем усиления на 30 процентов, связанный с входной емкостью транзистора VT2.

На рисунке 7.6 показана довольно простая схема двухкаскадного усилителя с отрицательной обратной связью.

Рисунок 7.6 При коэффициенте усиления равном 100 верхняя частотная граница полосы

пропускания получается около 3,3 МГц. Для получения такого же результата с применением операционного усилителя потребовалось бы применить усилитель с предельной частотой в 330МГц.

Рисунок 7.7 На рисунке 7.7 показана более совершенная схема усилителя,

характеристики которой меньше зависят от температуры и смены используемых транзисторов. Кроме того, благодаря подаче сигнала

отрицательной обратной связи на резисторы шунтирующие вход усилителя, эта схема имеет заметно большее входное сопротивление. Усилитель при коэффициенте усиления 10 единиц имеет верхнюю граничную частоту около 30 МГц. Применяя в этих схемах транзисторы с более высокой предельной частотой усиления можно без труда построить усилитель с верхней граничной частотой порядка 100 МГц.

Другим решением построения широкополосного усилителя является применение различных интегральных усилителей, предназначенных для этой цели, но не являющихся операционными. Усилитель UPC1688 c коэффициентом усиления 10 единиц усиливает сигналы до частоты 1000 МГц.

Рисунок 7.8 Схема включения его очень проста (рисунок 7.8). Для этой цели можно

использовать так же высокочастотные усилители с дифференциальным входом и дифференциальным выходом. Сверхминиатюрный усилитель MAX2471 усиливает сигналы до 500 МГц с коэффициентом усиления 7 единиц. (Смотрите рисунок 7.9).

Рисунок 7.9 На двух выходах получаются сигналы в противофазе. Если делать

многокаскадный усилитель на этих интегральных схемах, то следует эти два выхода соединить с двумя входами последующего каскада. Имеются многочисленные другие интегральные усилители подобного типа, в том числе сверхвысокочастотные, усиливающие сигналы до 35 ГГц.

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 2279; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 678 9 10 11 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!