Усилители. Классификация и основные характеристики усилителей, страница 11

В этих активных схемах через некоторое время после достижения импульсом уровня дискриминации U_дискр вход усилителя принудительно через электронный ключ закорачивается на нулевой потенциал. Сопротивление электронного ключа  R_вкл < 5 Ом,  R_выкл > 10 МОм.

Привязку нулевой линии чаще всего осуществляют в выходном каскаде основного усилителя. Необходимо иметь возможность при желании выключить привязку, чтобы при низких скоростях счета без привязки достичь оптимального энергетического разрешения.

3.16.4. Усилитель для временных измерений

Наряду с амплитудными измерениями (исследование энергетических спектров) во многих случаях одновременно необходимо измерять временные соотношения. Однако требования высокого амплитудного разрешения и хорошей временной точности не реализуемы в одном приборе, поэтому формирование временного сигнала и его обработка происходит в отдельном тракте.

Временная информация заключена в положении фронта импульса детектора, который сигнализирует о времени прихода частицы или кванта. Соответствующие этому время собирания зарядов в полупроводниковых детекторах и время отклика быстрых сцинтилляторов лежат в области от нескольких наносекунд до нескольких десятков наносекунд. Для того, чтобы информация при усилении не терялась, необходимы усилители с полосой пропускания 100 МГц (в физике высоких энергий до 300 МГц) и с собственным временем нарастания 3...1 нс. Для многих применений, в особенности в случае с ФЭУ, которые не требуют большого последующего усиления сигнала, можно обходиться широкополосными усилителями с фиксированным усилением.

Для обработки сигналов от предусилителя полупроводникового детектора, в частности в гамма-спектроскопии, требуется большое усиление, которое осуществляется широкополосными усилителями. Для обеспечения оптимального компромисса между шириной полосы пропускания и отношением сигнал/шум эти усилители должны быть оснащены регулируемыми фильтрами верхних и нижних частот (дифференцирующими и интегрирующими цепочками). Эти каскады строятся в принципе так же, как основные усилители медленных аналоговых сигналов, однако они  имеют постоянные времени, регулируемые в диапазоне 5...500 нс, т.е. существенно короче. Для предотвращения нежелательного фазовращения в цепях отрицательных обратных связей активных фильтров при высоких частотах схемы дифференцирования и интегрирования полосовых усилителей времязадающих сигналов делаются чисто пассивными.

Наряду с простыми усилителями с RС-связями для усиления временных сигналов используются усилители со связями по постоянному току. Линейная область выходных сигналов меньше, чем у основных усилителей (например,  ± 2 В или ± 5 В), так как требования к их линейности и стабильности амплитуды существенно ниже, чем для спектрометрических усилителей.

3.17. Усилитель биопотенциалов

          Усилители, предназначенные для усиления электрических сигналов при биомедицинских исследованиях должны удовлетворять некоторым специфическим требованиям. Источники биопотенциалов обладают большим и нестабильным внутренним сопротивлением, а уровень сигналов лежит в субмилливольтовом диапазоне. В качестве примера рассмотрим усилитель электрокардиосигналов (ЭКГ-сигналов). Усиление ЭКГ-сигналов и снижение уровня электрических шумов осуществляется при помощи дифференциального усилителя, который одновременно обладает свойствами полосового фильтра. Подавление гармоник спектра сигнала ниже 0,05 Гц устраняет сдвиг постоянной состовляющей потенциала на электродах, которая иногда достигает 300 мВ и может привести к насыщению усилителя. Подавление гармоник выше 100 Гц ослабляет импульсы, вызванные мышечной активностью. Фильтрация улучшает отношение сигнал/шум, однако чрезмерное сужение полосы пропускания приводит к искажению формы сигнала.

          Принципиальная схема простого усилителя ЭКГ-сигналов изображена на рис. 3.52. Операционные усилители А1, А2 и А3 образуют дифференциальный усилитель с высоким входным импендансом и коэффициентом усиления, равным 16,8. Такой небольшой коэффициент выбран для предотвращения насыщения соединенных по постоянному току операционных усилителей потенциалами поляризации электродов. Каскад на операционном усилителе А4 представляет собой полосовой активный фильтр с нижней граничной частотой f_н = 0,05 Гц (задается емкостью С1 и сопротивлением R10) и верхней граничной частотой f_В = 100 Гц (задается емкостью С2 и сопротивлением R11) и коэффициентом усиления в полосе пропускания равным 33. Потенциометр R6 служит для компенсации дисбаланса сопротивлений в цепи электродов Э1 и Э2. В случае перегрузки усилителя емкость С1 разряжается замыканием переключателя П1. В усилителях, которые подключаются непосредственно к телу пациента, должна быть предусмотрена цепь защиты, исключающая возможность прохождения через больного тока более 10 мкА.

          При усилении ЭКГ-сигналов важно обеспечить минимизацию шумов, главным источником которых является электрическая сеть. Сетевые линии, проходящие в стенах, полу и в потолке создают электрическое и магнитное поля. Причем электрическое поле имеет место даже в том случае, когда провода находятся под напряжением, но ток по ним не течет. Уменьшение шумов, создаваемых электрическим полем, обеспечивается выбором входных каскадов усилителя (А1 и А2) с высоким входным импендансом и большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала. Магнитная компонента шума от электросети возбуждает ЭДС самоиндукции в замкнутом контуре, образованном проводами, соединяющими электроды со входом усилителя. Эта составляющая шума минимизируется путем скручивания проводов для уменьшения площади контура, пронизываемого магнитным полем.