Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010

При воздействии на ДК только синфазных сигналов потенциалы во всех взаимно симметричных точках будут равны, токи в элементах, соединяющих эти точки, будут отсутствовать. Это означает, что синфазные сигналы, к числу которых относятся дрейф режимных токов, помехи в симметричных цепях и т.д., подавляются до пренебрежимо малой величины.

При действии на ДК парафазных сигналов потенциалы всех взаимно симметричных точек будут равны по абсолютному значению, но противоположны по знаку. Следовательно, возникающая под действием парафазных сигналов разность потенциалов между симметричными точками удваивается.

Указанные особенности ДК учитываются при выборе схемы усилителей слабых сигналов на фоне помех значительной амплитуды. Именно поэтому в электрокардиографах, электроэнцефалографах и других приборах в качестве предусилителей применяют ДК. При этом усиливаемый сигнал подается только на один из входов ДК, поэтому он действует как парафазный сигнал, воспроизводимый ДК с высоким коэффициентом усиления. Что же касается дрейфовых напряжений, различного рода помех, наводок, действующих одинаковой амплитудой во взаимно симметричных точках, то они практически не появляются на выходе ДК из-за высокого коэффициента подавления синфазных сигналов.

1.4. Интегральные операционные усилители

Для усиления, преобразования, обработки, детектирования, формирования и генерации сигналов в настоящее время применяются интегральные операционные усилители (ИОУ). Они представляют собой универсальные и многофункциональные микросхемы, построенные на полупроводниковой монолитной кремниевой пластине размером несколько квадратных миллиметров, содержащей десятки транзисторов, резисторов и конденсаторов небольшой емкости.

ИОУ состоят из входного каскада, промежуточных каскадов усиления и выходного каскада, образующих усилитель с непосредственными связями между каскадами. Во всех выпускаемых ИОУ,

21

за исключением импедансных, на входе включают ДК, что приводит к повышению стабильности выходного потенциала благодаря подавлению синфазных напряжений и сигналов помех и расширению функциональных возможностей ИОУ за счет наличия двух входов.

Благодаря включению промежуточных каскадов, состоящих из дифференциального каскада с однофазным выходом и дополнительными усилительными каскадами, ИОУ обладают высоким коэффициентом усиления: Kис = 104 ÷ 106. Выходной каскад строят на двухтактных повторителях напряжения. Это уменьшает выходное сопротивление ИОУ до десятков и единиц ом, что способствует передаче значительной мощности в низкоомные нагрузки.

Для питания ИОУ используют два разнополярных источника, позволяющих получить выходной потенциал, равный нулю, т.е. потенциалу общей шины питания. Потенциал входных зажимов также равен нулю, что облегчает непосредственное соединение отдельных микросхем между собой без включения разделительных конденсаторов.

На корпусе ИОУ расположены два вывода, к одному из которых присоединяют положительный источник питания +Еип, а к другому

– отрицательный –Еип. Вторые полюсы этих источников заземляют, т.е. подключают к общей шине (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Структурные схемы инвертирующего (а) и неинвертирующего (б) усилителей на ИОУ

ИОУ имеет два входных зажима: инвертирующий и неинвертирующий. При подаче на инвертирующий вход сигнала, например, положительной полярности Uд на выходе ИОУ появляется усилен-

22

ный сигнал отрицательной полярности, т.е. инвертированный сигнал (рис. 1.10, а). Если же усиливаемый сигнал Uд подается на неинвертирующий вход, то полярность выходного сигнала совпадает с полярностью входного (рис. 1.10, б).

Наличие двух входов существенно расширяет области применения ИОУ. Благодаря этой особенности, а также высокому коэффициенту усиления на их основе можно реализовать большое число разнообразных как линейных, так и нелинейных устройств путем соответствующих коммутаций внешних цепей, подключаемых к его входам. Поэтому по своему назначению и характеру применения ИОУ относятся к классу аналоговых интегральных микросхем (АИМС) универсального назначения. Эти возможности ИОУ на практике реализуют применением обратных связей (о чем речь пойдет в следующем параграфе).

ИОУ характеризуются теми же параметрами, что и обычные усилители: коэффициентом усиления Kис, входным Rвх.ис и выходным Rвых.ис сопротивлениями. Для характеристики ИОУ как усилителя постоянных сигналов используют следующие параметры:

• приведенное ко входу напряжение смещения Uвх.см, равное эквивалентному значению разности входных напряжений ИОУ, которая вызывает отклонение выходного напряжения на величину

KисUвх.см;

•входной ток смещения Iвх.см, равный среднему значению входных токов ИОУ: Iвх.см = 0,5(Iвх.ни + Iвх.ин);

•входной ток сдвига Iвх.сд, равный разности входных токов;

•коэффициент влияния нестабильности питающих напряже-

ний Квл.ип, определяемый как отношение приведенного ко входу отклонения выходного напряжения к изменению питающего на-

пряжения Еип, вызывающего это отклонение.

По этим параметрам определяют отклонение выходного напряжения Uвых.от при Uвх.ни = Uвх.ин = 0, приведенное ко входу ИОУ:

U	вх.от	≡	Uвых.от =U	вх.см	+ I	вх	(R		− R	) +
			Kис				г1		.гсм2
					2
	+0,5(Rг1 + Rг2 )Iвх.сд + ∑Kвл.ип.l							Eип.l ,

l =1

23

где Rг1 и Rг2 – сопротивления резисторов, включенных в инвертирующий и неинвертирующий входы ИОУ.

Отклонение выходного напряжения Uвых.от, которое появляется на выходе ИОУ при нулевых смещениях на инвертирующем и неинвертирующем входах, можно устранить балансировкой микросхемы. Однако с изменением температуры внутри корпуса микросхемы это отклонение изменяется, и, несмотря на балансировку, происходит дрейф выходного напряжения Uвых.др. Приведенный ко входу дрейф определяется через температурные коэффициенты основных параметров следующей формулой:

Uвх.др

≡

Uвых.др

=

Kис

= (Т

р

−Т

ном

)

Uвх.см

+ (R

− R

)

Iвх.см

+

Т

г1

г2

Т

2

Eипl

+ 0,5(Rг1 + Rг2 )

Iвх.см + ∑Kвл.ипl

,

Т

l =1

Т

где Тр и Тном – рабочая и номинальная температура. Быстродействие ИОУ характеризуется наибольшей скоростью

нарастания и спада выходного напряжения при воспроизведении импульсного сигнала с крутыми перепадами. Высокочастотные возможности определяются:

•частотой единичного усиления ИОУ f1ис, при которой коэффициент усиления Kис(f1ис) = 1;

•входной Свх.ис и выходной Свых.ис емкостями.

Выпускаются ИОУ общего назначения, ИОУ с повышенным входным сопротивлением, быстродействующие и прецизионные, ИОУ частного применения и микромощные.

1.5.Реализация аналоговых устройств на ИОУ

сприменением обратных связей

При использовании ИОУ в качестве аналогового устройства, к которым относятся и усилители, задача разработчика сводится к реализации на основе выбранного ИОУ электронного устройства с

24

заданными значениями коэффициента усиления, входного и выходного сопротивлений, переходной и частотной характеристик. Многие из этих параметров, как правило, существенно отличаются от соответствующих параметров ИОУ.

В большинстве случаев к аналоговым устройствам предъявляются достаточно жесткие требования к точности воспроизведения сигнала и стабильности его характеристик. Между тем из-за разброса параметров элементов ИОУ (транзисторов, резисторов) характеристики и параметры ИОУ от партии к партии существенно отличаются. Они меняются из-за дрейфа параметров транзисторов и изменения сопротивлений резисторов при изменении температуры окружающей среды.

Наиболее эффективным средством решения указанных проблем является применение отрицательной обратной связи, которую реализуют подачей части выходного напряжения или тока на инвертирующий вход ИОУ. Соответствующим выбором вида обратной связи (по напряжению или по току, параллельную или последовательную) и ее глубины F можно варьировать параметрами и характеристиками ИОУ так, чтобы реализованный на его основе усилитель имел заданные параметры и характеристики. При этом для обеспечения требуемой стабильности характеристик усилителя и заданной точности воспроизведения усиливаемых сигналов применяют отрицательную обратную связь.

Последовательная отрицательная обратная связь. Этот вид обратной связи применяют в устройствах, в которых требуется увеличение входного сопротивления. Причем реализуется обратная связь по напряжению и по току.

Структурная схема усилителя с последовательной обратной связью по напряжению показана на рис. 1.11, а.

Здесь отрицательная обратная связь реализуется подачей части выходного напряжения на инвертирующий вход ИОУ через резистивный делитель напряжения R1–R2 с коэффициентом передачи

	γи =		R2	. При этом поступающий на инвертирующий вход
		R	+ R
		1	2

сигнал обратной связи Uвх.ин= γиUвых. Усиливаемый сигнал Uд подают на неинвертирующий вход: Uвх.ни = Uд. Эти сигналы усилива-

25

ются ИОУ с коэффициентом Kис и появляются на выходе в виде разности

Uвых = KисUвх.ни – KисUвх.ин = KисUд – KисγиUвых.

а

б

Рис. 1.11. Структурные схемы усилителей с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению (а) и по току (б)

Поэтому выходное напряжение ИОУ уменьшается обратно пропорционально глубине обратной связи

	F = 1 + γиKис,
	т.е.	KисUд		KисUд
	Uвых =		=		.
		F		1+ γиKис

Таким образом, при действии отрицательной обратной связи по напряжению коэффициент усиления усилителя определяется формулой

Kи =	Uвых			Kис ~		R1
		=			−		+1,
	Uд					R2
			1+ γиKис

из которой следует, что Kис уменьшается в F раз.

Входное сопротивление возрастает в F раз, а выходное сопротивление, наоборот, уменьшается в F раз. Этот вид обратной связи

26

способствует стабилизации коэффициента усиления по напряжению, заметно уменьшая его отклонение от номинальной величины, которое происходит из-за разброса параметров ИОУ и их температурного дрейфа.

Если наряду с повышением входного сопротивления требуется увеличить и выходное сопротивление усилителя, то ИОУ охваты-

вают последовательной обратной связью по току. В этом случае подают на инвертирующий вход сигнал обратной связи Uос = IнR1, пропорциональный току нагрузки Iн.

Структурная схема ИОУ с обратной связью по току показана на рис. 1.11, б. В этой схеме глубина обратной связи определяется выражением

F =1+ Kис R1 . Rн

При обратной связи по току стабилизируется коэффициент усиления по току:

Ki ≡ Iн = KисRд ~− Rд . Iд FRн R1

Так как в схеме действует последовательная связь, то входное сопротивление возрастает в F раз, что способствует уменьшению входного тока усилителя. Выходное сопротивление тоже возрастает в F раз. Именно поэтому при изменении тока нагрузки Iн с изменением параметров ИОУ сопротивление Rн уменьшается в F раз.

Параллельная отрицательная обратная связь. Для уменьше-

ния входного сопротивления усилителя используют параллельную обратную связь, которую реализуют подачей на инвертирующий вход ИОУ как сигнала обратной связи, так и усиливаемого сигнала

Uд.

Параллельная обратная связь по напряжению используется в усилителе с низкоомным выходом подачей на инвертирующий вход ИОУ через резистор R1 части выходного напряжения (рис. 1.12, а). При этом глубина обратной связи определяется соотношением

F =1+ Kис R RдR .

1 + д

27

а б

Рис. 1.12. Структурные схемы усилителей с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению (а) и по току (б)

Поскольку обратная связь по напряжению, то выходное сопротивление уменьшается в F раз. Этот вид обратной связи способствует стабилизации коэффициента усиления:

Kи ≡ Uвых =	Kис	=	KисR1 /(R1 + Rд)		Rд	.
			F
Uд	F				R1

Параллельная отрицательная обратная связь по току применя-

ется для стабилизации коэффициента усиления тока и увеличения выходного сопротивления усилителя. В приведенной структурной схеме (рис. 1.12, б) обратная связь по току реализуется подачей сигнала, пропорционального выходному току, на инвертирующий вход ИОУ, куда одновременно поступает усиливаемый сигнал Uд. Канал обратной связи представляет собой делитель тока с коэффи-

циентом передачи	γi =		R2		. Глубина обратной связи и ко-
		R1	+ R2
				+ Rд

эффициент усиления по току определяются формулами:

F = 1 + γiKис Rд ; Rн

	I		K	ис	γ R		R			R
Ki ≡	н				i д		1			1
		=						+1			+1 .
	Iд						R2			Rн
				FRн

28

Коррекция переходных и частотных характеристик усили-

телей с обратной связью. Применение отрицательных обратных связей позволяет получать требуемые коэффициент усиления с заданной стабильностью, входное и выходное сопротивления усилителя. Наряду с данными параметрами, характеризующими усилители в установившемся режиме, определенные требования предъявляются к частотным или переходным характеристикам. Между тем включение обратных связей не только не обеспечивает автоматически решение указанной проблемы, наоборот, оно приводит к заметным искажениям сигналов в области высших частот или малых времен, если не будут приняты дополнительные меры.

Часто применение обратных связей сопровождается самовозбуждением усилителя, т.е. усилитель превращается в генератор сигналов произвольной формы. Причиной этого является действие паразитных емкостей и индуктивностей, а также инерционность транзисторов в канале петлевого усиления, в результате чего образуются фазовые сдвиги в области высших частот, сопровождаемые существенными частотными искажениями, а чаще всего самопроизвольной генерацией сигналов высокой частоты.

Проблема реализации частотных и переходных характеристик с заданной точностью на практике решается применением корректирующих цепей. Они представляют собой цепи с реактивными элементами, при помощи которых обеспечивают усиление высокочастотных сигналов с требуемой точностью.

В настоящее время применяют четыре способа коррекции характеристик. Наиболее простой способ – коррекция при помощи интегрирующего конденсатора Скор, включаемого между входом и выходом одного из усилительных каскадов ИОУ. Такой способ используют при изготовлении ИОУ с внутренней коррекцией. Недостатком этого вида коррекции является то, что он приводит к уменьшению частоты единичного усиления микросхемы. Этот недостаток можно ликвидировать, применив коррекцию ускоряющей RC-цепью, которую реализуют шунтированием резисторов R1 и R2 в канале обратной связи (см. рис. 1.11, а) конденсаторами С1 и С2 небольшой емкости.

29

Наиболее эффективной является коррекция посредством параллельного высокочастотного канала. В трансимпедансных ИОУ коррекцию целесообразно проводить при помощи местной обратной связи по току, которая в этой микросхеме неизбежно возникает при подключении к ее низкоомному инвертирующему входу цепи общей обратной связи.

1.6. Интегральные компараторы напряжений

Компаратор – это сравнивающее устройство. Современные интегральные компараторы напряжений (ИКН) предназначены для сравнения двух напряжений, поступающих на его инвертирующий и неинвертирующий входы. При этом в зависимости от знака разности входных напряжений на выходе ИКН устанавливается потенциал, соответствующий либо логической 1, либо логическому 0.

Первый из этих потенциалов – это Uвых1 .икн – высокий потенциал,

второй Uвых0 .икн – низкий потенциал.

Структурная схема ИКН совпадает со схемой ИОУ. Она содержит на входе дифференциальный каскад, выполняющий функции сравнивающего устройства. Для повышения чувствительности ИКН за входным дифференциальным каскадом обычно включают промежуточный усилитель с высоким коэффициентом усиления, обеспечивающий формирование перепадов напряжений большой амплитуды при незначительной разности входных напряжений.

Основное отличие ИКН от ИОУ состоит в построении выходного каскада. В ИКН выходной каскад строят так, чтобы можно было совмещать ИКН с цифровыми микросхемами. Для этого необходимо обеспечить работу выходного каскада в ключевом режиме, при

котором формируются потенциальные уровни Uвых1 .икн и Uвых0 .икн , первый из которых соответствует логической единице, а второй – логическому 0. Причем Uвых1 .икн и Uвых0 .икн должны равняться

входным напряжениям соответствующей цифровой микросхемы, под действием которых происходит переключение цифрового устройства.

30