Процессы усиления сигналов встречаются и в живой природе. Рассмотрим возникновение потенциала действия на электровозбудимой мембране. Изменение электрического сопротивления возбудимой мембраны зависит только от количества открытых ионных каналов. Сенсоры различных каналов (даже одного типа, например, натриевые) обладают разной чувствительностью к сдвигам трансмембранной разности потенциалов. При некоторой величине деполяризации открываются наиболее чувствительные каналы; начавшееся по ним движение ионов усиливает деполяризацию, которая по мере нарастания открывает все новые каналы, пока все они не перейдут в открытое состояние.
Можно считать пороговый сдвиг потенциала на мембране входным сигналом, а потенциал действия -- выходным. Энергия, заключаемая в раздражителе, гораздо меньше энергии, которой обладает потенциал действия. Так, например, пороговый сигнал составляет 20-30 мВ, а потенциал действия 110-150 мВ.
Частотная характеристика усилителя.
Частотная характеристика — это зависимость коэффициента усиления от частоты. Она отражает тот факт, что усилитель не одинаково усиливает гармонические сигналы разных частот.
Дополним эквивалентную схему усилителя (рис.1) частотно-зависимыми элементами (рис.):
Свх ставится, чтобы выделить переменную составляющую сигнала—именно она и несет информацию. Ещё одна причина заключается в том, что технически сложно усиливать сигналы с большой постоянной составляющей. Видно, что входная цепь усилителя представляет собой фильтр высоких частот. Следовательно, в зависимости от постоянной времени входной цепи ослабляются низкочастотные составляющие сигнала. Свых специально не ставится, это "паразитная" емкость, величина ее не велика, но она сказывается для высокочастотных составляющих сигнала, ослабляя их. Таким образом, выходная цепь усилителя — фильтр низких частот. Из сказанного легко понять общий вид частотной характеристики усилителя (рис. а) - для реального усилителя, б) - для идеального усилителя).
Если сигнал на входе усилителя имеет достаточно широкий спектр, то после усиления он исказится - это частотные или линейные искажения.
Линейные искажения обусловлены зависимостью от частоты величины реактивных сопротивлений емкостей и индуктивностей, имеющихся в схеме усилителя. Уровень линейных искажений не зависит от амплитуды усиливаемого сигнала, а зависит только от его спектра.
Область, в которой коэффициент усиления мало зависит от частоты, называется полосой пропускания.
Принято считать, что уменьшение коэффициента усиления до Кmax / √2 ≈ 0,7 Кmax не приводит к искажению сигнала. Поэтому полосой пропускания усилителя будет участок от ω1 до ω 2 (или от ν1 до ν2 , т.к. ω =2πν).
В современных усилителях вопрос ширины полосы пропускания не является особенно актуальным, т.к. их характеристики приближаются к идеальным.
Следует отметить, что практически вся медико-биологическая информация передается низкочастотными сигналами. Для их усиления требуются усилители с нижней границей полосы пропускания, равной доли герца.
ПРИНЦИП ОБРАТНОЙ СВЯЗИ.
Понятие обратной связи появляется в теории управления сложными системами. Обратная связь - очень важный элемент живых организмов. Изучать обратную связь на живых системах трудно ввиду их сложности. Рассмотрение этого вопроса в электронике проще и дает полезные аналогии.
Передача информации от управляющей системы к объекту управления называется прямой связью. Наоборот - обратной связью (рис.).
Рассмотрим обратную связь по напряжению в усилителе. На рис.
представлен один из вариантов осуществления обратной связи в усилителях. Напряжение с выхода усилителя через цепь обратной связи, состоящую обычно из пассивных элементов, подается на вход усилителя последовательно с входным сигналом.
Коэффициент усиления без обратной связи равен К = Uвых / Uвх.
Uвых, Uвх - амплитудные значения напряжения. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью равен: Кос = Uвых / Uист, где Uист - амплитудное значение напряжения источника сигнала.
Характер обратной связи определяется исключительно фазовыми соотношениями сигналов источника и обратной связи на входе усилителя и величиной коэффициента передачи цепи обратной связи β. По определению β = Uос / Uвых ≤ 1
Если Uвх = Uист - Uос, т.е. сигналы (синусоидальные) на входе усилителя складываются в противофазе, то обратная связь отрицательная.
Если сигналы Uист и Uос складываются в одной фазе (синфазные), то обратная связь положительная: Uвх= Uист + Uос.
Необходимый сдвиг по фазе обеспечивается цепью обратной связи.
При
отрицательной обратной связи 
;
при
положительной 
.
Отрицательная обратная связь в усилителе уменьшает общий коэффициент усиления, стабилизирует усилитель, увеличивает входное сопротивление, уменьшает выходное сопротивление. Отметим, что более стабильным является тот усилитель, у которого коэффициент усиления меньше меняется со временем. Нестабильность можно оценить по величине
Видно, что для усилителя с отрицательной обратной связью нестабильность уменьшается.
Изменение входного сопротивления сказывается на ширине полосы пропускания усилителя. Отрицательная обратная связь расширяет полосу пропускания усилителя со стороны низких частот.
Положительная обратная связь увеличивает коэффициент усиления и делает работу усилителя нестабильной.
Положительная обратная связь обязательно присутствует в генераторах, т.е. в устройствах самостоятельно вырабатывающих сигналы (без входного сигнала).
Заметим, что отрицательная и положительная обратные связи являются частными случаями обратной связи. В общем случае (сложение сигналов с произвольными фазами) можно говорить лишь о том, насколько близка обратная связь к тому или иному частным случаям.
ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ.
Большинство физиотерапевтических приборов представляют собой генераторы электрических сигналов. В принципе, электрический генератор можно получить, если ввести в усилитель сильную (с большим β) положительную обратную связь. В качестве примера рассмотрим блок-схему генератора УВЧ (рис.).
Отличительные особенности генератора: наличие колебательного контура L1 С1 и цепи обратной связи L3. Благодаря положительной обратной связи в колебательном контуре самопроизвольно возникают и поддерживаются колебания определенной частоты. Сигнал обратной связи возникает в L3 благодаря самоиндукции и зависит от фазы колебаний в контуре. Усилительный элемент работает в данном случае как ключ, включая и выключая ток в цепи в определенных фазах колебаний. Можно считать, что в момент включения тока и осуществляется положительная обратная связь. Энергия из контура генератора через индуктивность L2 поступает в терапевтический контур, который содержит еще регулируемый конденсатор С2 и электроды Э, накладываемые на пациента. Емкость, образуемая электродами зависит от расстояния между ними и объекта, на который они наложены. Максимальная энергия выделяется в контуре при совпадении частоты колебаний в нем с частотой генератора. Поэтому интенсивность излучения в терапевтическом контуре регулируется с помощью конденсатора С2. Обратим внимание на то, что терапевтический контур не содержит источника тока, а энергия в него поступает через индуктивную связь L1-L2, т.е. в терапевтическом контуре течет только высокочастотный ток. Это общий принцип для терапевтических приборов. Для безопасности электроды, накладываемые на пациента, не должны соединяться с источником питания прибора. Говорят, что в этом случае должна иметься гальваническая развязка
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.