Аппаратные методы повышения чувствительности электромагнитных усилителей напряжения
Рассмотрены основные методы достижения высокой чувствительности усилителей напряжения. Предложена схема избирательного усилителя с полосовым фильтром на основе металлического объемного резонатора, обладающего свойством усиления подшумовых информационных сигналов....
Збережено в:
| Дата: | 2008 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2008
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6502 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Аппаратные методы повышения чувствительности электромагнитных усилителей напряжения / А.Д. Бех, В.В. Чернецкий // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2008. — № 7. — С. 95-100. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-6502 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-65022025-02-10T01:07:24Z Аппаратные методы повышения чувствительности электромагнитных усилителей напряжения Hardware methods of the increase of the sensitivity of electromagnetic voltage amplifiers Бех, А.Д. Чернецкий, В.В. Рассмотрены основные методы достижения высокой чувствительности усилителей напряжения. Предложена схема избирательного усилителя с полосовым фильтром на основе металлического объемного резонатора, обладающего свойством усиления подшумовых информационных сигналов. Розглянуті основні методи досягнення високої чутливості підсилювачів напруги. Запропонована схема селективного підсилювача зі смуговим фільтром на основі металічного об’ємного резонатора з підсиленням підшумових інформаційних сигналів. The main methods of the achievement of hiqh sensitivity of the voltaqe amplifiers are considered; the circuitry of the selective amplifier with selective filter based on metal volume resonator with sub-noise information siqnal amplifier is proposed. 2008 Article Аппаратные методы повышения чувствительности электромагнитных усилителей напряжения / А.Д. Бех, В.В. Чернецкий // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2008. — № 7. — С. 95-100. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1817-9908 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6502 681.3(031) ru application/pdf Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Рассмотрены основные методы достижения высокой чувствительности усилителей напряжения. Предложена схема избирательного усилителя с полосовым фильтром на основе металлического объемного резонатора, обладающего свойством усиления подшумовых информационных сигналов. |
| format |
Article |
| author |
Бех, А.Д. Чернецкий, В.В. |
| spellingShingle |
Бех, А.Д. Чернецкий, В.В. Аппаратные методы повышения чувствительности электромагнитных усилителей напряжения |
| author_facet |
Бех, А.Д. Чернецкий, В.В. |
| author_sort |
Бех, А.Д. |
| title |
Аппаратные методы повышения чувствительности электромагнитных усилителей напряжения |
| title_short |
Аппаратные методы повышения чувствительности электромагнитных усилителей напряжения |
| title_full |
Аппаратные методы повышения чувствительности электромагнитных усилителей напряжения |
| title_fullStr |
Аппаратные методы повышения чувствительности электромагнитных усилителей напряжения |
| title_full_unstemmed |
Аппаратные методы повышения чувствительности электромагнитных усилителей напряжения |
| title_sort |
аппаратные методы повышения чувствительности электромагнитных усилителей напряжения |
| publisher |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| publishDate |
2008 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6502 |
| citation_txt |
Аппаратные методы повышения чувствительности электромагнитных усилителей напряжения / А.Д. Бех, В.В. Чернецкий // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2008. — № 7. — С. 95-100. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT behad apparatnyemetodypovyšeniâčuvstvitelʹnostiélektromagnitnyhusiliteleinaprâženiâ AT černeckiivv apparatnyemetodypovyšeniâčuvstvitelʹnostiélektromagnitnyhusiliteleinaprâženiâ AT behad hardwaremethodsoftheincreaseofthesensitivityofelectromagneticvoltageamplifiers AT černeckiivv hardwaremethodsoftheincreaseofthesensitivityofelectromagneticvoltageamplifiers |
| first_indexed |
2025-12-02T09:38:21Z |
| last_indexed |
2025-12-02T09:38:21Z |
| _version_ |
1850388828905275392 |
| fulltext |
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2008, № 7 95
A.D. Bekh, V.V. Chernetsky
HARDWARE METHODS OF
THE INCREASE OF
THE SENSITIVITY OF
ELECTROMAGNETIC VOLTAGE
AMPLIFIERS
The main methods of the achieve-
ment of hiqh sensitivity of the
voltaqe amplifiers are considered;
the circuitry of the selective am-
plifier with selective filter based on
metal volume resonator with sub-
noise information siqnal amplifier is
proposed.
Розглянуті основні методи досяг-
нення високої чутливості підси-
лювачів напруги. Запропонована
схема селективного підсилювача
зі смуговим фільтром на основі
металічного об’ємного резона-
тора з підсиленням підшумових
інформаційних сигналів.
Рассмотрены основные методы
достижения высокой чувстви-
тельности усилителей напряже-
ния. Предложена схема избира-
тельного усилителя с полосовым
фильтром на основе металличе-
ского объемного резонатора,
обладающего свойством усиления
подшумовых информационных
сигналов.
А.Д. Бех, В.В. Чернецкий, 2008
УДК 681.3(031)
А.Д. БЕХ, В.В. ЧЕРНЕЦКИЙ
АППАРАТНЫЕ МЕТОДЫ
ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
НАПРЯЖЕНИЯ
Для получения объективной информации о
взаимодействии объектов необходимы пря-
мые измерения параметров этого взаимодей-
ствия, а канал усиления сигналов и преобра-
зования информации должен обладать высо-
кими эффективностью и быстродействием.
Параметры эффективности измерительных
средств обусловлены чувствительностью
усилительных и решающих устройств, кото-
рая определяется минимальной амплитудой
входного сигнала, обеспечивающей измене-
ние показателя средства измерения на еди-
ницу шкалы или на 1 бит информации циф-
ровых устройств вследствие действия мини-
мального сигнала амплитудой Uc .
Чувствительность усилительных устройств
определяется срабатыванием порогового
устройства на их выходе от сигнала мини-
мальной амплитуды:
Uc Кu = Uo, (1)
где Кu коэффициент усиления амплитуды
сигнала Uc, которая обеспечивает надеж-
ное переключение решающего устройства,
характеризующегося пороговым напряжени-
ем Uо. Для повышения чувствительности
или снижения Uc необходимо увеличивать
Кu или уменьшать Uо. Возможность сни-
жения Uо практически отсутствует. В тран-
зисторных усилителях величина Uо обу-
словлена особенностями нелинейной зави-
симости ее от управляющего напряжения
транзисторов. Поэтому снижение Uc дости-
гается только увеличением Кu 1, т. е. уси-
лением Uc.
А.Д. БЕХ, В.В. ЧЕРНЕЦКИЙ
96 Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2008, № 7
Основную роль в измерительном канале играют усилители напряжения, в
качестве которых в основном используют операционные усилители. Они харак-
теризуются высокими коэффициентом усиления и входным сопротивлением, в
результате чего их можно непосредственно подключить к любому источнику
сигналов. Однако назвать их эффективными усилителями напряжения не пред-
ставляется возможным. Они, как и все электронные усилители напряжения, вме-
сте с его усилением образуют аддитивный шум и усиливают его, учитывая это
выражение (1) принимает вид:
(Uc + Uш ) Кu Uо. (2)
Усилитель должен выполнять функцию не только усиления сигналов, но
и выделения их на фоне шумов. Поэтому амплитуда порогового сигнала Uс
должна превышать амплитуду и дисперсию амплитуды шумов Uш
Uc Uш. (3)
Кроме этого электронным усилителем напряжения свойственны темпера-
турный и временной дрейфы «нуля» и коэффициента усиления, в результате че-
го пороговый сигнал Uc должен превышать Uш .
Если предположить существование в измерительном канале только прин-
ципиально неустранимого шума, то чувствительность усиления определяется из
условия:
Рc min = Pш, (4)
где Pc min и Pш – мощность соответственно сигнала и шума. Поскольку измери-
тельный канал представляет собой резистивную цепь, то неустранимым шумом
является тепловой шум:
Pш = 4 кТF (5)
или
Pcmin = U min
2
с /R = 4 кТF, (6)
где к – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; F – полоса частот
преобразуемых сигналов. Следовательно, чувствительность усилительного ка-
нала составляет
Ucmin = 4 кТFR . (7)
Одним из путей снижения уровня шумов усилительных устройств –
охлаждение усилительных схем до температуры жидкого азота. Такой способ
используется в аппаратуре специального назначения, но он неприемлем в техни-
ке широкого применения. Другой известный способ повышения чувствительно-
сти усилительных схем заключается в использовании низкошумящих транзисто-
ров, т. е. в совершенствовании схем усилителей сигналов.
АППАРАТНЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ…
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2008, № 7 3 97
Наиболее широко для достижения высокой чувствительности усиления сиг-
налов в схемах усилителей используются различные фильтры шумов и помех.
С целью достижения значительного коэффициента усиления и поглощения шу-
мов вне полосы полезных сигналов используются избирательные усилители.
Избирательные свойства таких усилителей обычно обеспечиваются использова-
нием в них различных резонансных систем. Наиболее распространены избира-
тельные усилители высокой частоты, форма резонансной характеристики и из-
бирательность которых определяется резонансной системой. Такие усилители
нашли широкое применение в радиоприемных устройствах [1]. Использование
избирательных усилителей эффективно в высокочастотной области, в которой
полосовые фильтры строятся на основе оптимальных связанных колебательных
контуров или фильтров сосредоточенной селекции. В низкочастотных избира-
тельных усилителях используются активные RC-фильтры, которым свойстве-
нен высокий уровень собственных шумов, ограничивающих минимальный ин-
формационный сигнал, а низкочастотные резонансные LC-фильтры имеют зна-
чительные габариты и низкое качество. Наиболее распространенные схемы из-
бирательных усилителей напряжения состоят из двух операционных усилителей
(ОУ) и включенного между ними полосового фильтра [2]. В этих усилителях
функции усиления по напряжению выполняют ОУ, а полосовой фильтр выпол-
няет функцию подавления шумов и помех вне полосы полезных сигналов и вы-
деления сигналов в необходимой полосе частот. Однако если усиленные шумы
первого ОУ подавляются полосовым фильтром, то шумы второго ОУ генери-
руются и усиливаются во всей полосе частот усиления.
В созданном нами электромагнитном усилителе напряжения приведенный
ко входу уровень шума на несколько порядков ниже, чем в ОУ. В нем также от-
сутствуют температурный и временной дрейфы нуля и коэффициента усиления,
а избирательная полоса частот лежит в низкочастотной области. Чувствитель-
ность этого усилителя повышена на несколько порядков, что обеспечивает вы-
деление сигналов в нужной полосе частот амплитудой ниже уровня теплового
шума. Такая возможность в усилителе обеспечивается посредством использова-
ния низкочастотного шумоподавляющего фильтра, использующего явление
энергетического резонанса в электромагнитной системе магнетик-проводник,
который по эффективности превышает механические и LC-фильтры, используе-
мые в электроакустике.
Считается, что электрическое поле внутри металла отсутствует, учитывая
это, отсутствует и преобразование энергии магнитного поля магнетика в элек-
трическое поле проводника, индуктивно связанного с ним. Исследования пока-
зали, что энергия магнитного поля магнетика преобразуется без остатка в энер-
гию электрического поля проводника в электромагнитной системе магнетик-
проводник на частоте энергетического резонанса [3]. Открытие явления пре-
образования форм энергии электрического и магнитного полей в системе
магнетик-проводник сделало существенный сдвиг в познании процессов
взаимодействия в веществе и поле. Явление преобразования энергии электро-
магнитных полей едино как для процессов взаимодействия в макро-, так
А.Д. БЕХ, В.В. ЧЕРНЕЦКИЙ
98 Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2008, № 7
и в микромире [4]. Например, нервная система человека работает с электромаг-
нитными сигналами, которым не свойственны тепловые шумы. Поэтому она по
чувствительности на несколько порядков превосходит электронные системы
усиления и обработки информационных сигналов. Устранение взаимных пере-
крестных шумов и помех между биомеханической и акустической системами
человека достигнута посредством разнесения механических и акустических
процессов по частотному диапазону. Если акустическая система человека нахо-
дится в низкочастотной области частот (диапазон звуковых волн), то биомеха-
ническая система занимает инфрачастотный диапазон. Электронная аппаратура
для усиления и обработки инфрачастотных сигналов имеет более низкую чувст-
вительность вследствие высокого уровня тепловых шумов в электронных усили-
телях в инфрачастотном диапазоне. Поэтому создание техники преобразования
инфрачастотных сигналов с целью достижения высокой чувствительности и бы-
стродействия оказалось возможным только после разработки способа построе-
ния шумоподавляющих фильтров, использующих явление энергетического ре-
зонанса в электромагнитной системе магнетик-проводник.
Добротность Q энергетического преобразователя магнетик-проводник мо-
жет достичь величины 105 – 106. Поэтому он является практически идеальным
низкочастотным полосовым фильтром. Причем, подавление шумов в выходном
канале усилителя не затрагивает процесс усиления.
Полоса пропускания фильтра равна F = Fo / 2Q. С учетом (7) чувствитель-
ность усилительного канала по напряжению составляет:
Uc = 2 /oкTF R Q . (8)
Операция пропускания усиливаемых сигналов через полосовой фильтр, ис-
пользующий явление энергетического резонанса электромагнитной системы
магнетик-проводник повышает чувствительность усилительных устройств
на несколько порядков и сдвигает ее в область подшумовых нановольтовых
сигналов.
В созданном усилителе функцию полосового фильтра выполняет оптималь-
ный трансформатор с плоским короткозамкнутым витком из толстой листовой
меди, образующим металлический объемный резонатор (МОР). Усилитель на-
пряжения, схема которого показана на рисунке, содержит два операционных
усилителя ОУ1, ОУ2 и включенный между ними оптимальный трансформатор
с МОР. Последний выполняет функции усилителя напряжения и полосового
фильтра. Создание оптимального трансформатора с функцией шумоподавляю-
щего фильтра позволило усиление по напряжению выполнять оптимальным
трансформатором, а операционные усилители использовать как буферный эле-
мент с единичным коэффициентом усиления по напряжению. В этом усилителе:
- напряжение тепловых шумов не усиливается;
- температурный и временной дрейфы нуля и коэффициента усиления
отсутствуют;
АППАРАТНЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ…
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2008, № 7 3 99
- приведенный ко входу уровень шума на несколько порядков ниже, чем
в электронных усилителях;
- отсутствует низкочастотный дрейф коэффициента усиления (рисунок).
5 6
3
4
1
2
РИСУНОК. Схема электромагнитного усилителя напряжения
Усиление электрических сигналов исключительно низкой интенсивности
основывается на генерировании э.д.с. в результате усиления мощности сигнала
по току – полупроводниковыми операционными усилителями, а по напряжению
– оптимальным трансформатором с большим коэффициентом трансформации,
который передает усиленный гармонический сигнал и не вносит фазовых и дру-
гих искажений. Входной сигнал без искажений с единичным коэффициентом
усиления по напряжению передается со входа на выход первого операционного
усилителя ОУ1. Высокое входное сопротивление ОУ позволяет подключить ОУ
к любому источнику сигналов, а к низкоомному выходу ОУ непосредственно
можно подключить обмотку трансформатора. В оптимальном трансформаторе
с МОР полезный сигнал необходимой полосы частот усиливается по напряже-
нию, а сигнал и шумы вне этой полосы поглощается МОР фильтром. Усиленные
по напряжению сигналы через второй ОУ2 в функции повторителя напряжения
поступают на выход усилителя напряжения. Таким образом, напряжение полез-
ных сигналов усиливается в Ku раз, Ku равен коэффициенту трансформации
оптимального трансформатора с МОР, а уровень шумов Uш соответствует
уровню шума выходного ОУ с единичным коэффициентом усиления. Приведен-
ный ко входу уровень шумов в Ku раз меньше шума на выходе усилителя. Если
уровень шумов на выходе усилителя равен табличному параметру шума ОУ, то
на его входе он в Ku раз ниже и составляет Uш вых / Ku. При коэффициенте уси-
МОР-фильтр
Оптимальный трансформатор ОУ1
ОУ2
А.Д. БЕХ, В.В. ЧЕРНЕЦКИЙ
100 Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2008, № 7
ления Ku = 10 n
приведенный ко входу уровень шумов усилителя на n поряд-
ков ниже приведенного ко входу шума полупроводниковых ОУ. Кроме этого
оптимальному трансформатору не присущи температурный и временной дрей-
фы коэффициента трансформации. Поэтому в усилителе отсутствует темпера-
турный и временной дрейфы нуля и коэффициента усиления.
Основной элемент усиления напряжения сигналов и поглощения шума уси-
лителя оптимальный трансформатор напряжения с индуктивно связанным с
ним металлическим объемным резонатором. Изменение магнитного потока в
сердечнике трансформатора эффективно преобразуется в МОР в энергию элек-
трического поля, которое генерирует колебательный процесс, аналогичный воз-
буждению RLC-контура. Принципиальная разница колебаний в RLC-контуре
и в МОР состоит в том, что из-за высокой плотности электрической энергии в
толще металла габаритные параметры МОР на несколько порядков ниже анало-
гичных параметров RLC-контура той же частоты собственных колебаний. Кро-
ме этого для их возбуждения нет необходимости непосредственного включения
МОР в цепь тока, так как колебания возбуждаются электромагнитным полем.
Контуры МОР по отношению к RLC-контурам имеют те же преимущества, что
и транзисторы перед электронными лампами, а именно миниатюризацию и не-
значительные энергетические затраты на модуляцию параметров. В контуре
МОР объем металла определяет полосу частот его собственных колебаний.
В описанном усилителе МОР выполнен в виде высокопроводного короткозамк-
нутого витка оптимального трансформатора напряжения, а частоту его собст-
венных колебаний задают габаритные параметры этого короткозамкнутого вит-
ка. Методика расчета частоты собственных колебаний МОР приведена в [5].
Использование электромагнитных усилителей с МОР полосовым фильтром
позволяет расширить методы обработки низкоуровневых сигналов и распро-
странить их на область подшумовых информационных сигналов. Это делает
доступным прямое наблюдение биомеханических процессов в биологических
объектах.
1. Радиоприемные схемы на полупроводниковых приборах / Под ред. Р.А. Валитова и
А.А. Кулковского. М.: Сов. радио, 1968. 384 с.
2. Мигулин И.Р., Чаповский М.З. Интегральные микросхемы в радиоэлектронных устройст-
вах. Киев: Техніка, 1985. 283 с.
3. Бех А.Д., Чернецкий В.В. Волновая модель вихретоковых контуров в металлах // УСиМ.
1996. № 1/2. С. 1722.
4. Бех А.Д., Чернецкий В.В. Концепция основ физической информатики // УСиМ. – 2001.
№ 1. С. 35.
5. Бех А.Д., Чернецкий В.В. Прямое цифровое преобразование физических величин // УСиМ.
1994. С. 310.
Получено 01.04.2008
|