Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)

АЧХ усилителя определяет характер изменения коэффициента усиления или выходного сигнала усилителя при изменении частоты сигнала.
АЧХ представляет собой график зависимости выходного напряжения (или коэффициента усиления), величина которого откладывается по оси ординат, от частоты, откладываемой по оси абсцисс (рис. 5.2). Для частоты используется логарифмический (нелинейный) масштаб. Это приводит к эффективному расширению низкочастотного и сжатию высокочастотного участков на оси частот.
Коэффициент усиления и выходной сигнал усилителя постоянны в диапазоне средних частот, но спадают при высоких и низких частотах. Область частот, заключенная между частотами f1 и f2, называется полосой пропускания усилителя. Частоты f1 и f2 соответствуют точкам a1 и a2, и известным как точки по уровню 3 дБ (децибел). Децибел — нелинейная (логарифмическая) единица измерения коэффициента усиления (см. приложение 2). Точка a1 называется нижней точкой по уровню 3 дБ, а точка a2 — верхней точкой по уровню 3 дБ. В этих двух точках выходное напряжение усилителя составляет 70% от своего максимального значения. Точки по уровню 3 дБ называют также точками по уровню половинной мощности, поскольку выходная мощность усилителя на этих частотах уменьшается ровно в два раза.

Рис. 5.2 Амплитудно-частотная характеристика усилителя.

Выходное напряжение (или коэффициент усиления) удобно откладывать по оси ординат в децибелах, принимая максимальный уровень за 0 дБ. Тогда точки по уровню 3 дБ будут находиться на уровне – 3 дБ.

 

АЧХ усилителя звуковой частоты (УЗЧ)
Чтобы обеспечить усиление сигналов всех звуковых частот, УЗЧ должен иметь полосу пропускания, перекрывающую диапазон звуковых частот, т. е. от 20 Гц до 20 кГц. Внутри этого диапазона частот коэффициент усиления УЗЧ должен сохранять постоянное значение. Ниже 20 Гц и выше 20 кГц допустим спад усиления. Типичная АЧХ усилителя звуковой частоты показана на рис. 5.2.

 Поскольку музыка и речь представляют собой сложную смесь гармонических сигналов с различными частотами звукового диапазона, то качество усилителя зависит от того, какую полосу этих частот и их гармоник данный усилитель может воспроизвести без искажений. Узкая полоса пропускания будет обязательно приводить к ограничению числа усиливаемых и воспроизводимых на выходе усилителя гармоник. Этим объясняется низкое качество звука у дешевых усилителей.

Существуют два основных типа искажений: амплитудные и частотные.

 

Амплитудные искажения
Для каждого усилителя существует некоторый максимальный уровень выходного сигнала, который не может быть превышен. Попытка превышения этого уровня приводит к амплитудным искажениям. Амплитудные искажения проявляются в сглаживании или обрезании только одного (положительного или отрицательного) или обоих пиков сигнала.

Рис. 5.3 Амплитудные искажения.

На рис. 5.3 представлены три варианта проявления амплитудных искажений синусоидального сигнала на выходе перегруженного усилителя.

 

Частотные искажения
Усилители должны воспроизводить на своем выходе входной сигнал без каких-либо изменений его формы, не считая увеличения амплитуды. Обычно входной сигнал имеет сложную форму и состоит из большого числа синусоидальных сигналов различных частот и их гармоник. Для верного воспроизведения все эти составляющие должны усиливаться в одинаковой степени, то есть коэффициент усиления должен быть одинаковым для всех частот. Другими словами, АЧХ усилителя должна быть достаточно плоской во всей полосе пропускания, в противном случае выходной сигнал будет подвержен частотным искажениям.
Например, усилитель с АЧХ, показанной на рис. 5.4, будет в гораздо большей степени усиливать высокие частоты по сравнению с низкими. В результате в выходном сигнале будут чрезмерно представлены высокочастотные составляющие.

Рис. 5.4

Можно сказать, что сигнал на выходе данного усилителя воспроизводится с частотными искажениями.

Добавить комментарий

Характеристики усилителей: классификация, формулы, схемы, параметры

Усилитель — это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, как правило, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают (рис. 2.1).

Классификация усилителей

Все усилители можно классифицировать по следующим признакам:

По частоте усиливаемого сигнала:

• усилители низкой частоты (УНЧ) для усиления сигналов от десятков герц до десятков или сотен килогерц;
• широкополосные усилители, усиливающие сигналы в единицы и десятки мегагерц;
• избирательные усилители, усиливающие сигналы узкой полосы частот;

По роду усиливаемого сигнала

• усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с частотой от нуля герц и выше;
• усилители переменного тока, усиливающие электрические сигналы с частотой, отличной от нуля;

По функциональному назначению

• усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности в зависимости от того, какой из параметров усилитель усиливает. Основным количественным параметром усилителя является коэффициент усиления.

В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению К_U, току К_i или мощности К_Р:

К_U = U_вх / U_вых

К_I= I_вх/ I_вых

К_P= P_вх / P_вых

где U_вх, I_вх — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на входе;

U_вых , I_вых — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на выходе;

Р_вх, Р_вых— мощности сигналов соответственно на входе и выходе. Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах:

К_U (дБ) = 20LgK_u

К_I(дБ) = 20LgK_i

К_Р (дБ) = 10LgK_p

Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных его каскадов: К = К₁ · К₂ · … · К_n

Если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов:

К (дБ) = К₁ (дБ) + К₂ (дБ) +… + К_n(дБ).

Обычно в усилителе содержатся реактивные элементы, в том числе и «паразитные», а используемые усилительные элементы обладают инерционностью. В силу этого коэффициент усиления является комплексной величиной:

Ќ_U = К_U · e^jφ

К_U = U_вых / U_вх

где К_U— модуль коэффициента усиления; φ — сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями с амплитудами U_вх и U_вых.

Помимо коэффициента усиления важным количественным показателем является коэффициент полезного действия:

η = P_вых / P_ист

где Р_ист — мощность, потребляемая усилителем от источника питания.

Роль этого показателя особенно возрастает для мощных, как правило, выходных каскадов усилителя.

К количественным показателям усилителя относятся также входное R_вх и выходное R_вых сопротивления усилителя:

R_вх = U_вх / I_вх

R_вых = |∆ U_вых | / |∆ I_вых |

где U_вх и I_вх — амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;

∆U_вых и ∆I_вых — приращения аплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки. Рассмотрим теперь основные характеристики усилителей.

Интересное видео о параметрах усилителя смотрите ниже:

Амплитудная характеристика усилителя

Амплитудная характеристика — это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) (рис. 2.2).

Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при U_вx = 0, точка 2 — минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов.

Участок 2 − 3 — это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжениями усилителя.

После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):

К_Г = √( U²_2m + U²_3m + … + U²_nm) / U_lm

где U_lm, U_2m, U_3m, U_nm — амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-й гармоник выходного напряжения соответственно. Величина D = U_{вх max} / U_{вх min}характеризует динамический диапазон усилителя. Рассмотрим пример возникновения нелинейных искажений (рис. 2.3). При подаче на базу транзистора относительно эмиттера напряжения синусоидальной формы u_бэ в силу нелинейности входной характеристики транзистора i_б = f(u_бэ) входной ток транзистора i_б (а следовательно, и выходной — ток коллектора) отличен от синусоиды, т. е. в нем появляется ряд высших гармоник.

Из приведенного примера видно, что нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала и положения рабочей точки транзистора и не связаны с частотой входного сигнала, т. е. для уменьшения искажения формы выходного сигнала входной должен быть низкоуровневым.

Поэтому в многокаскадных усилителях нелинейные искажения в основном появляются в оконечных каскадах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя.

АЧХ — это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты, а ФЧХ — это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Типовая АЧХ приведена на рис. 2.4.

Частоты f_н и f_в называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность (f_н − f_в) — полосой пропускания усилителя.

При усилении гармонического сигнала достаточно малой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает.

При усилении сложного входного сигнала, содержащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются усилителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала.

Такие искажения называются частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений: М = K₀ / K_f где K_f — модуль коэффициента усиления усилителя на заданной частоте.

Коэффициенты частотных искажений М_Н = K₀ / K_Н и М_В = K₀ / K_В называются соответственно коэффициентами искажений на нижней и верхней граничных частотах. АЧХ может быть построена и в логарифмическом масштабе. В этом случае она называется ЛАЧХ (рис. 2.5), коэффициент усиления усилителя выражают в децибелах, а по оси абсцисс откладывают частоты через декаду (интервал частот между 10f и f). Обычно в качестве точек отсчета выбирают частоты, соответствующие f = 10n. Кривые ЛАЧХ имеют в каждой частотной области определенный наклон. Его измеряют в децибелах на декаду. Типовая ФЧХ приведена на рис. 2.6. Она также может быть построена в логарифмическом масштабе. В области средних частот дополнительные фазовые искажения минимальны.

ФЧХ позволяет оценить фазовые искажения, возникающие в усилителях по тем же причинам, что и частотные.

Пример возникновения фазовых искажений приведен на рис. 2.7, где показано усиление входного сигнала, состоящего из двух гармоник (пунктир), которые при усилении претерпевают фазовые сдвиги.

Переходная характеристика усилителя

Переходная характеристика усилителя— это зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис. 2.8).

Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом. Области верхних частот соответствует переходная характеристика в области малых времен, области нижних частот — переходная характеристика в области больших времен.

Ещё одно интересное видео по теме смотрите ниже:

Измерение основных параметров усилителя — АЧХ, Rвых, Pmax

Измерение основных параметров усилителя

Прежде чем проверять динамики, колонки или наушники, убедитесь в том, что ваш усилитель (или стационарный, или встроенный в активные колонки, или звуковой карты компьютера) имеет достаточно хорошие технические характеристики (параметры). Т.е. насколько прямолинейна и широка его

АЧХ, может ли он выдавать все частоты с одинаковым уровнем, без завала по низким частотам (чем часто грешат усилители низкого качества).

Заодно можно определить, развивает ли он заявленную изготовителем максимальную мощность (Pmax) и какое выходное сопротивление (Rвых) имеет.

---

Методика проверки амплитудно-частотной характеристики

Для измерения амплитудно-частотной характеристики (

АЧХ) в один из каналов (левый или правый) вместо колонки в качестве нагрузки усилителя проводниками подключите резистор любого типа, сопротивлением 5-10ом. Парал­лельно резистору подключите вольтметр пере­менного тока (цифровой в данном случае удобнее стрелочного), и, подав с компьютера сигнал генератора звуковых частот (объём архива 22Кб.) на частоте 1000 герц регулятором громкости установите выходное напряжение, например 1вольт (1000 милли­вольт), далее, не меняя уровень сигнала, уменьшайте частоту генератора (в диапа­зоне 1000-100 герц кнопкой «-100», в диапазоне 100-20 герц кнопкой «-10») начиная от 1000гц. и до 20гц. включительно (при этом регуляторы тембра на усилителе должны стоять в среднем положении или отключены, т.е. его АЧХ должна быть прямолинейна (горизон­тальна).

Напряжение на выходе усилителя НЕ ДОЛЖНО  меняться более чем на ±2 децибела (или в 1,25 раза), но чем меньше, тем лучше (в нашем случае, оно должно находиться в пределах между 0,8-1,25 вольт, или 800-1250 милли­вольт). Идеальный вариант - все частоты выдаются с одинаковым уровнем.

Ну а если завал напряжения по низким частотам составит 2 и более раз, что соответ­ствует 6 децибел и более (т.е. напряжение опустится до 0,5 вольт и менее), то ваши колонки никогда не смогут звучать во всей своей красе. К тому же, при нелинейной характеристике усилителя вы не сможете точно определить резонансную частоту динамиков. Пример такой нелинейной АЧХ показан на рисунке слева (см. синюю кривую).

Точно также проверяется и второй канал усилителя. В случае значительного спада сигнала на низких частотах желательно поменять усилитель на более качественный.

---

Измерение выходного сопротивления усилителя

От величины выходного сопротивления зависят коэффициент демпфирования и интер­модуляционные искажения, также оно напрямую влияет на общую добротность системы. Выходное сопротивление усилителя мощности должно находиться в пределах 1/10-1/1000 от сопротивления нагрузки и у современных усилителей имеет величину порядка 0,01-0,1 Ом.

Для его измерения в качестве нагрузки усилителя проводниками подключите резистор любого типа, сопротивлением 4 или 8ом соответствующей мощности. Параллельно выходу усилителя подключите вольтметр переменного тока (цифровой в данном случае удобнее стрелочного), и, подав с компьютера сигнал генератора звуковых частот (объём архива 22Кб.) на частоте 1000 герц регулятором громкости установите выходное напряжение в пределах от 1 до 5 вольт.

Вначале нужно замерить выходное напряжение усилителя на холостом ходу (без нагрузки). Потом проделать то же самое, нагрузив его на резистор. Все величины, включая Rнагр, нужно измерять как можно точнее. Выходное сопротивление вычисляется по формуле

Rвых=[(Uхх/Uнагр)-1]×Rнагр или
Rвых=[(Uхх-Uнагр)/Uнагр]×Rнагр. пример: [(5-4,9)/4,9]×8=0,163ом.

Таким образом можно определить выходное сопротивление и на втором канале, и на любой частоте.

---

Измерение максимальной мощности

Некоторые пользователи хотят знать, какую мощность реально выдают их усилители в нагрузку, не доверяя характеристикам, заявленным производителями. Это можно сделать, но вам понадобятся:

1. мощный нагрузочный резистор
2. генератор звуковых частот
3. вольтметр переменного напряжения
4. осциллограф.

Самое сложное, это купить или самостоятельно изготовить мощный нагрузочный резистор и найти осциллограф. В крайнем случае, в качестве осциллографа можно использовать компьютер или ноутбук с программой «Виртуальный осциллограф» из архива (объём 0,3 Мб.). Подробное описание его работы и схема адаптера (делитель напряжения для согласования входа звуковой карты компьютера с источником исследуемого напряжения) имеются в справке программы. Резистор можно изготовить из спирали древнего утюга, электрической плитки или тепловентилятора.

В один из каналов (левый или правый) вместо колонки в качестве нагрузки усилителя проводниками подключите резистор любого типа, сопротивлением, соответствующим расчётному сопротивлению нагрузки вашего усилителя. Оно указывается в инструкции на аппаратуру и обычно составляет 8 или 4ом. Мощность резистора должна быть достаточной, чтобы он не сгорел во время работы, т.е. не меньше предполагаемой выходной мощности усилителя (если усилитель заявлен на 100 ватт на канал, мощность резистора должна быть 100 ватт и больше).

Параллельно резистору подключите вольтметр переменного тока (лучше стрелочный, он показывает действующее значение напряжения), а также осциллограф и, подав с компьютера сигнал генератора звуковых частот (объём архива 22Кб.) на частоте 1000 герц регулятором громкости установите выходное напряжение, например 1 вольт (1000 милли­вольт). Наблюдайте форму сигнала на осциллографе, далее, не меняя частоту, увеличивайте амплитуду сигнала.

Синусоида будет увеличиваться по высоте, не искажая свою форму, но в какой-то момент произойдёт её клиппирование, она как бы упрётся в «потолок и пол», вместо закруглённой, её верхняя и/или нижняя части станут горизонтальными, как на рисунке справа, т.е. начнётся ограничение сигнала по амплитуде. Уменьшите амплитуду таким образом, чтобы сигнал был на грани клиппирования (ещё сохранял закругленную форму). Напряже­ние, показанное в этот момент на вольтметре, равно Umax. По формуле P=U²/R рассчитайте максимальную мощность усилителя.

Например, Umax=21v. R=4om. Pmax=21²/4=110ватт. Если R=8ом, то Рmax=55ватт.

Таким же способом можно проверить максимальную выходную мощность на нижней частоте АЧХ усилителя (20 герц.), или на нижней частоте частотного диапазона, указанного для ваших колонок, например 40, 45 или 50 герц. Ограничение синусоиды по амплитуде в идеале должно происходить строго симметрично, на обоих полуволнах сигнала.

Аналогично замерьте мощность во втором канале усилителя.

Нравится

 

вернуться НАЗАД

ВЫЙТИ в оглавление

Copyright © Полубоярцев А.В.

Исследование усилителя низкой частоты — презентация онлайн

1. Исследование усилителя низкой частоты

2. Усилитель низкой частоты – это электронный прибор, предназначенный для усиления электрических колебаний, соответствующих

слышимому человеком звуковому диапазону
частот, таким образом к данным усилителям предъявляется
требование усиления в диапазоне частот от 20 до 20 000 Гц поп
уровню -3 дБ, простейшие УЗЧ имеют более узкий диапазон
воспроизводимых частот.
Усилители низкой частоты наиболее широко применяются для
усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях
они называются также усилителями частоты. Кроме этого УНЧ
используются для усиления информационного сигнала в различных
сферах: измерительной технике и дефектоскопии; автоматике,
телемеханике и аналоговой вычислительной технике; в других
отраслях электроники.
Классификация
По схемотехнике выходного каскада
• Однотактный
• Двухтактный
По типу применения в конструкции усилителя активных элементов
• Ламповые – на электронных лампах.
• Транзисторные – на биполярных или полевых транзисторных.
• Интегральные – на интегральных микросхемах (ИМС)
• Гибридные – часть каскадов собрана на полупроводниковых элементах,
а часть электронных лампах.
• На магнитных усилителях.
• Пневматические
По виду согласования выходного каскада с нагрузкой
• Трансформаторные — в основном такая схема согласования применяется в
ламповых усилителях.
• Бестрансформаторные — в силу дешевизны, малого веса и большой полосы
частот бестрансформаторные усилители получили наибольшее распространение.
По полосе усиливаемых частот
• Усилители постоянного тока (УПТ) – усилители медленно изменяющихся
напряжений или токов.
• Усилители переменного тока усиливают только переменную составляющую
тока в необходимой спектральной полосе.
Основные характеристики усилителя
низкой частоты
Основное назначение УНЧ – усиливать мощность сигнала, т.е. при подаче
на вход УНЧ электрического сигнала малой мощности получать на нагрузке
сигнал той же формы, но большей мощности. Для усиления мощности УНЧ
преобразует энергию источника питания с помощью усилительных
приборов. В некоторых случаях УНЧ имеет и вспомогательное значение –
осуществляет коррекцию формы сигнала.
Для оценки УНЧ кроме коэффициента усиления, АЧХ и ФЧХ часто
используются следующие электрические параметры:
Рабочий диапазон частот – интервал значений (от нижней частоты до
верхней), в котором коэффициент усиления изменяется по определенному
закону с известной степенью точности.
Неравномерность частотной характеристики – наибольшее отклонение
коэффициента усиления в заданном диапазоне частот от значения K0 ,
определённого для средней частоты.
Коэффициент частотных искажений М характеризует неравномерность
АЧХ. М – отношение коэффициента усиления в области средних частот K0 к
коэффициенту усиления на границе заданного диапазона частот.
Различаются коэффициенты частотных искажений в области нижних частот
и верхних частот.
Коэффициент нелинейных искажений определяет степень искажения
входного синусоидального сигнала усилителем и оценивается как квадратный
корень из отношения мощностей всех высших гармоник выходного сигнала к
полной выходной мощности:
или близким к нему коэффициентом
гармоник:
Номинальная выходная мощность Рном – мощность, выделяемая УНЧ в
нагрузке и заданная техническими требованиями.
Номинальное выходное напряжение Uном – напряжение на нагрузке,
соответствующее номинальной выходной мощности.
Номинальное входное напряжение ном Uвх – напряжение, подаваемое
на вход УНЧ, при котором на выходе создается номинальная мощность.
Напряжение ном Uвх соответствует чувствительности УНЧ.
Входное сопротивление Zвх – сопротивление для токов низкой частоты,
измеренное между входными зажимами УНЧ. В области средних частот
входное сопротивление обычно оказывается активным Rвх .
Выходное сопротивление Zвых – сопротивление для токов низкой
частоты, измеренное между выходными зажимами УНЧ (при условии, что 8
источник сигнала включен, но его напряжение равно нулю).
Общая потребляемая мощность P0 – мощность, потребляемая УНЧ от
источников питания, при номинальной выходной мощности Pном .
Номинальная выходная мощность определяет верхний предел выходной
мощности, при котором все характеристики качества звучания по
электрическому напряжению соответствуют нормам.
Линейные искажения и полоса пропускания.
Коэффициент усиления К идеального усилителя не зависит от частоты, но
в реальной жизни это далеко не так. Зависимость амплитуды от частоты
называют амплитудно- частотной характеристикой — АЧХ и часто
изображают в виде графика, где по вертикали откладывают коэффициент
усиления по напряжению, а по горизонтали частоту. Изобразим на
графике АЧХ типичного усилителя.
Снимают АЧХ, последовательно подавая на вход усилителя сигналы разных
частот определённого уровня и измеряя уровень сигнала на выходе.
Диапазон частот ΔF, в пределах которого мощность усилителя
уменьшается не более, чем в два раза от максимального значения,
называют полосой пропускания усилителя.
Значения частоты и уровня сигналов, с которыми работает УНЧ, могут
изменяться очень существенно, поэтому АЧХ обычно строят в
логарифмических координатах, иногда его называют при этом ЛАЧХ.
Коэффициент усиления усилителя выражают в децибелах, а по оси
абсцисс откладывают частоты через декаду (интервал частот
отличающихся между собой в десять раз). Не правда ли так график
выглядит не только симпатичнее, но и информативнее?
Усилитель не только неравномерно усиливает сигналы разных частот,
но ещё и сдвигает фазу сигнала на разные значения, в зависимости от
его частоты. Эту зависимость отражает фазочастотная характеристика
усилителя.
Нелинейные искажения. КНИ, КГИ, THD.
Нелинейные искажения добавляют в сигнал ранее не существовавшие
гармоники и, в результате, изменяют исходную форму сигнала. Пожалуй
самым наглядным примером таких искажений может служить ограничение
синусоидального сигнала по амплитуде, изображённое ниже.
На левом графике показаны искажения, вызванные наличием
дополнительной чётной гармоники сигнала — ограничение амплитуды
одной из полуволн сигнала. Исходный синусоидальный сигнал имеет
номер 1, колебание второй гармоники 2, а полученный искажённый
сигнал 3. На правом рисунке показан результат действия третьей
гармоники — сигнал «обрезан» c двух сторон.
Коэффициент гармонических искажений (КГИ)
Такая методика будет работать только в том случае, если входной сигнал
будет идеальным и содержать только основную гармонику. Это условие
удаётся выполнить не всегда, поэтому в современной международной
практике гораздо большее распространение получил другой параметр
оценки степени нелинейных искажений — КНИ.
Коэффициент нелинейных искажений (КНИ)
КНИ — величина равная отношению среднеквадратичной суммы
спектральных компонент выходного сигнала, отсутствующих в спектре
входного сигнала, к среднеквадратичной сумме всех спектральных компонент
входного сигнала.
Амплитудная характеристика. Совсем коротко о шумах и
помехах.
Зависимость выходного напряжения усилителя от его входного, при
фиксированной частоте сигнала (обычно 1000Гц), называется
амплитудной характеристикой.
Амплитудная характеристика идеального усилителя представляет
из себя прямую, проходящую через начало координат, поскольку
коэффициент его усиления является постоянной величиной при любых
входных напряжениях.
На амплитудной характеристике реального усилителя имеется, как
минимум, три разных участка. В нижней части она не доходит до нуля,
так как усилитель имеет собственные шумы, которые становятся на
малых уровнях громкости соизмеримы с амплитудой полезного сигнала.
В средней части (АВ) амплитудная характеристика близка к линейной. Это
рабочий участок, в его пределах искажения формы сигнала будет минимальным.
В верхней части графика амплитудная характеристика также имеет изгиб,
который обусловлен ограничением по выходной мощности усилителя.
Если амплитуда входного сигнала такова, что работа усилителя идет на
изогнутых участках, то в выходном сигнале появляются нелинейные искажения.
Чем больше нелинейность, тем сильнее искажается синусоидальное напряжение
сигнала, т.е. на выходе усилителя появляются новые колебания (высшие
гармоники).
Шумы в усилителях бывают разных видов и
вызываются разными причинами.
Белый шум
Белый шум — это сигнал с равномерной спектральной плотностью на всех
частотах. В пределах рабочего диапазона частот усилителей низкой частоты
примером такого шума можно считать тепловой, вызванный хаотичным
движением электронов. Спектр этого шума равномерен в очень широком
диапазоне частот.
Розовый шум
Розовый шум известен также как мерцательный (фликкер-шум). Спектральная
плотность мощности розового шума пропорциональна отношению 1/f (плотность
обратно пропорциональна частоте), то есть он является равномерно убывающим в
логарифмической шкале частот. Розовый шум генерируется как пассивными так и
активными электронными компонентами, о природе его происхождения до сих
пор спорят учёные.
Фон от внешних источников
Одна из основных причин шума — фон наводимый от посторонних источников,
например от сети переменного тока 50 Гц. Он имеет основную гармонику в 50 Гц и
кратные ей.
Самовозбуждение
Самовозбуждение отдельных каскадов усилителя способно генерировать шумы,
как правило определённой частоты.

Амплитудно-частотная краткая характеристика усилителя – не бывает ничего идеального

Амплитудно-частотная характеристика — это двухмерный график, показывающий, насколько неравномерно усиливается сигнал в зависимости от его частоты. Если говорить об усилителях низкой частоты, то есть акустической аппаратуре, то АЧХ определяет натуральность и естественность воспроизведения звука.

Искажения аудиосигнала бывают линейными и нелинейными. К нелинейным относят изменение формы выходного сигнала, а к линейным – неравномерность усиления при сохранении его формы.

Амплитудная характеристика усилителя обладает особенностью: деления на оси абсцисс, на которой нанесена шкала частот в слышимом диапазоне, имеет логарифмическую градуировку, — чем выше частота, тем интервалы между делениями меньше. Такой способ отображения оправдан особенностями человеческого слуха, который различает модуляции тем меньше, чем выше их тон.

Идеальная амплитудно-частотная характеристика выглядела бы прямой горизонтальной линией. Но, как известно, создать усилитель, абсолютно равномерно и одинаково воспроизводящий весь спектр даже на относительно узком диапазоне слышимых звуков, практически невозможно. Все дело в характеристиках электронных компонентов, составляющих схему (как усилительных, полупроводниковых или ламповых, так и вспомогательных, емкостей и индуктивностей). Любой транзистор, микросхема, или лампа имеют собственную АЧХ. Только тщательная настройка, предусмотренная конструкцией всего устройства, позволяет компенсировать неидеальность отдельных составляющих. Достигаться это может и подбором деталей, и глубокой отрицательной обратной связью, уменьшающей как линейные, так и нелинейные искажения.

Так как идеальной амплитудно-частотная характеристика быть не может, то можно говорить лишь о том, в какой степени она отклоняется от линии, параллельной оси абсциссы. Принято считать, что изменение коэффициента усиления в пределах трех децибел для слуха человека некритично, поэтому частотный диапазон определяется как интервал между пересечением линии, лежащей на 3 dB ниже пикового значения усиления (обычно в районе 1000 Гц) с линией характеристики в местах так называемых «концевых загибов». Не следует считать, что частоты ниже и выше границ частотного диапазона «не пропускаются», просто их ощутимо хуже слышно.

Снять АЧХ усилителя можно с помощью простых приборов (осциллографа и генератора звуковых частот), или используя точный вольтметр. Для этого нужно подавать на вход устройства сигнал одинаковой величины, например, 200 мВ, и разных частот, и измерять его интенсивность на выходе, нанося данные на график. На радиозаводах принято регулировать равномерность АЧХ с помощью специального всеволнового генератора, подающего на вход весь диапазон, и измерителя, наглядно демонстрирующего диаграмму на экране. В условиях производства так получается значительно быстрее достичь результата.

Акустические системы, служащие полезной нагрузкой для усилителя, в свою очередь, имеют собственные характеристики, и они тоже далеко не идеальны. С целью компенсации суммарной АЧХ в конструкции усилителя предусмотрены такие устройства, как регуляторы тембра или многополосные эквалайзеры. Аппаратура класса Hi-End таких настроек не имеет, их амплитудно-частотная характеристика настолько тщательно настроена и согласована с комплектными АС, что, кроме ручки громкости и тумблера включения, других приспособлений управления не требуется.

2 Основные качественные показатели — СтудИзба

Глава 2. Основные качественные показатели

2.1. Основные показатели усилительных устройств

Рекомендуемые файлы

Усиление в РПрУ обеспечивается как на высокой (до детектора) так и на низкой частоте (после детектора). При этом усилительные каскады имеют существенные отличия. Остановимся кратко на основных показателях, характеризующих усилительные свойства и искажения усилительных каскадов.

Усилительные возможности усилителя оцениваются с помощью коэффициентов усиления при действии на его входе гармонического испытательного сигнала.

Представление усилителя в виде активного четырехполюсника (рис.2.1), параметры которого определяются источником питания, позволяет определить его основные характеристики.

Усилитель предназначен для увеличения мощности сигнала, подведенного к его входу, что происходит благодаря преобразованию энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Поэтому основным показателем, характеризующим усилительные свойства усилителя, является коэффициент усиления по мощности, который всегда больше единицы:

,

где  — мощность, отдаваемая в нагрузку (выделяемая на активной части нагрузки),

 — мощность, подводимая ко входу усилителя от источника сигнала.

Коэффициент усиления по напряжению это отношение комплексных амплитуд напряжений на выходе и на входе усилителя:

      K = U  _вых /U _вх                                                                       (2.1)

Сквозной коэффициент усиления по напряжению – отношение комплексной амплитуды напряжения на выходе усилителя к ЭДС источника сигнала:

 К* =  U _вых / E _u

Аналогично коэффициент усиления по току:

   К _i=  I _н  / I _вх

Коэффициенты усиления  K, K*,K_i   являются комплексными величинами, так как из-за наличия в усилителе реактивных элементов появляется фазовый сдвиг выходных напряжений и тока относительно входных значений. Более того, наличие реактивных элементов, сопротивление которых зависит от  частоты, приводит к изменению модуля и фазы выходных напряжения и тока при изменении частоты входного сигнала, то есть  к возникновению амплитудно-частотных и фазо-частотных искажений.

Амплитудно-частотные и фазо-частотные искажения оцениваются по амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристике, соответственно.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) представляет собой зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению (2.1) от частоты, а фазо-частотная (ФЧХ) показывает зависимость фазового сдвига между выходным и входным напряжениями от частоты.

Типичный вид АЧХ и ФЧХ усилителей низкой частоты (УНЧ) показан на рис. 2.2, а и б:

             

     Рис.2.2а                                       Рис.2.2б                                                              

На рис. 2.2 в, для сравнения приведена АЧХ резонансного усилителя (РУ) радиочастоты, характерной особенностью которого является выраженный максимум коэффициента усиления на резонансной частоте f₀.

Очевидно, усиленный сигнал не искажается, если каждая составляющая спектра усиленного сигнала имеет одинаковый коэффициент усиления и сдвигается усилителем на равное время, определяемое временем запаздывания. При этом идеальные АЧХ и ФЧХ показаны пунктирными линиями соответственно на рис. 2.2, а (в) и 2.2 б.

Рис.2.2в

Для количественной оценки амплитудно-частотных искажений используют коэффициент частотных искажений

         ,                    (2.2)                          

где  — коэффициент усиления по напряжению на частоте, на которой оцениваются частотные искажения;  — коэффициент усиления в области средних частот для УНЧ или резонансный коэффициент усиления для РУ.

Учитывая, что АЧХ усилителей обычно нормируются: , из 2.2 имеем , где  — значение нормированной АЧХ  на частоте .

Амплитудно-частотные и фазочастотные искажения относятся к классу линейных искажений, так как не добавляют в выходной сигнал новых спектральных составляющих, а лишь изменяют их соотношение.

Нелинейные искажения возникают в усилительных каскадах из-за нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ) усилительного элемента, определяющего зависимость выходного тока от входного напряжения (проходная характеристика, рис. 2.3.).

                                                            Рис.2.3

Нелинейные искажения проявляются в возникновении в выходном токе новых (высших) гармонических составляющих и оцениваются коэффициентом гармоник:

                                  (2.3)

где  — действующие (или амплитудные значения тока и напряжения первой, второй и т.д. гармоник выходного колебания.

Нелинейность радиотракта приемника приводит к ряду нелинейных эффектов (перекрестная и интермодуляция, блокирование), рассматриваемых ниже.

2.2. Качественные показатели РПрУ

Основным показателем качества радиотракта приемника является чувствительность.

Чувствительностью называется способность приемника принимать слабые радиосигналы. Количественно чувствительность оценивается минимальной ЭДС в антенне  или мощностью , при которой на выходе приемника сигнал воспроизводится с требуемым качеством. Под требуемым качеством понимают либо обеспечение заданного уровня сигнала на выходе приемника при определенном отношении сигнал/помеха, либо обеспечения одного из вероятностных критериев принятия сигнала. Очевидно, чувствительность зависит от усиления сигнала в приемнике и ограничена усилителем, так как бесконечно увеличивать усиление в радиотракте невозможно. С другой стороны, чувствительность ограничена внешними помехами, если уровень сигнала и помех на входе РПрУ соизмеримы. При отсутствии внешних помех можно достигнуть предела чувствительности, ограниченного внутренними шумами. Такая чувствительность является параметром собственно приемника.

Избирательность (селективность) приемника – это способность приемника отделять полезный сигнал от мешающих. Она основана на использовании тех или иных различий полезных и мешающих сигналов: направления прихода (пространственная избирательность), времени действия (временная), поляризации (поляризационная), амплитуды (амплитудная), частоты (частотная), фазы (фазовая). Пространственная и поляризационная избирательности реализуются приемной антенной; временная (при приеме импульсных сигналов) достигается отпиранием приемника только на время действия полезного сигнала. Основное значение имеет частотная избирательность, реализуемая с помощью резонансных цепей и фильтров. Различают односигнальную и многосигнальную (эффективную, реальную) частотную избирательность.

Односигнальная избирательность определяется АЧХ фильтров радиотракта приемника без учета нелинейных явлений при действии на входе одного сигнала (либо полезного, либо мешающего) (рис.2.4.а). Количественно односигнальная избирательность оценивается отношением уровня испытательного сигнала на частоте помехи к его значению на частоте полезного сигнала при неизменной настройке и одинаковом выходном напряжении, то есть отношением соответствующих коэффициентов усиления:

.

Следовательно характеристика односигнальной избирательности или кривая селективности (рис. 2.4.б), оценивающая ослабление помехи в зависимости от частоты расстройки , обратна соответствующей АЧХ (рис.2.4.а). При этом учтено, что в отличие от АЧХ УНЧ для резонансных усилителей радиотракта приемника при построении АЧХ по оси частот удобнее откладывать не абсолютное значение частот, а значение расстройки частоты относительно настройки приемника .

                            

    Рис.2.4а                                                              Рис.2.4б

Это вызвано тем, что в супергетеродинном приемнике (см. ниже) при преобразовании частоты величина  не меняется при изменении частот настройки контуров в трактах высокой и промежуточной частот.

Важным показателем приемника, также определяемым по его АЧХ, является полоса пропускания, оцениваемая полосой частот вблизи резонансной частоты, где уровень амплитудно — частотных искажений не превышает допустимый, задаваемый неравномерностью АЧХ в полосе пропускания.

Неравномерность АЧХ оценивается отношением коэфициентов усиления на резонансной частоте и на границах полосы пропускания

Очевидно, что идеальная (с точки зрения обеспечения избирательности и отсутствия частотных искажений) АЧХ имеет прямоугольную форму (штрих-пунктир на рис.2.2в). Степень близости реальной АЧХ к идеальной оценивается коэффициентом прямоугольности, определяемым отношением полос пропускания при двух значениях .

Обычно .

Отметим, что показатели избирательности и неравномерности, как большинство относительных величин, обычно выражаются в дБ.

Реальная (многосигнальная, эффективная) селективность учитывает нелинейные эффекты (перекрестная модуляция, блокирование, интермодуляция), возникающие в радиотракте приемника при действии сильных внеполосных помех, когда начинает проявляться нелинейность радиотракта. Реальная селективность характеризует способность приемника выделять полезный сигнал при одновременном действии сигнала и помех. Нелинейные искажения сигнала на выходе приемника оцениваются коэффициентом гармоник модулирующего сигнала (2.3). Нелинейностью амплитудных характеристик () определяется и динамический диапазон приемника, характеризующий пределы изменения уровня выходных сигналов, при которых обеспечивается требуемое качество воспроизведения принятого сообщения:

.

Здесь  — максимальный уровень сигнала в антенне, ограниченный допустимыми нелинейными искажениями в усилительном тракте;  — минимальный уровень сигнала в антенне, определяемый уровнем шумов, т.е. реальной чувствительностью.

К другим показателям качества относятся:

— диапазон рабочих частот, определяемый коэффициентом перекрытия диапазона ;

— время настройки на принимаемую частоту;

— помехоустойчивость – способность приемника обеспечивать требуемое качество приема при  действии различных помех;

— электромагнитная совместимость с другими средствами радиосвязи;

— конструктивно-эксплуатационные характеристики;

— производственно-экономические характеристики.

Особое значение имеют шумовые показатели РПрУ, определяющие его предельную чувствительность. Для оценки уровня собственных шумов приемника (или любого четырехполюсника) вводится понятие коэффициента шума Ш, оценивающего уровень собственных шумов РПрУ в общем шуме на выходе устройства.

Для любого четырехполюсника коэффициент шума представляет собой:

Здесь  — мощность шума на выходе идеального нешумящего четырехполюсника;  — собственные шумы четырехполюсника.

Пусть на вход четырехполюсника от источника сигнала с внутренним шумящим сопротивлением  поступает мощность шума , где  — полоса шума; — коэффициент рассогласования, зависящий от сопротивлений источника сигнала  и входного сопротивления четырехполюсника,  — постоянная Больцмана,  — абсолютная температура. Тогда мощность на выходе идеального нешумящего четырехполюсника , где  — коэффициент усиления по мощности четырехполюсника.

Другой интерпретацией коэффициента шума может служить отношение:

,

оценивающее ухудшение  на выходе четырехполюсника за счет добавления собственных шумов.

Иногда, особенно для малошумящих устройств, удобно пользоваться понятием шумовой температуры. Шумовая температура  показывает, на сколько надо изменить температуру сопротивления источника сигнала , чтобы считая его нешумящим, получить на выходе такую же мощность шума, какую дает реальный усилитель. При этом .

Известно, что коэффициент шума пассивного четырехполюсника (например, входной цепи приемника) определяется: , где  — номинальный (при согласовании) коэффициент передачи по мощности четырехполюсника.

Коэффициент шума многокаскадного устройства:

,

где  — коэффициент шума ^го каскада.

Отсюда следует, что влияние каждого последующего каскада на общий коэффициент шума меньше предыдущего и это уменьшение тем заметнее, чем выше коэффициент передачи предыдущих каскадов. Поэтому в РПрУ для обеспечения высокой предельной чувствительности, т.е. низкого коэффициента шума, стремятся первые каскады (УРЧ) выполнять малошумящими и с возможно большим коэффициентом усиления по мощности.

Вопросы для самопроверки

1. Какова причина возникновения частотных и фазовых искажений в усилителях низкой частоты?

2. Как выглядят идеальные АЧХ и ФЧХ усилителей низкой частоты и почему?

3. В чем причина возникновения нелинейных искажений в усилителях и как они оцениваются?

4. Чем ограничена чувствительность РПрУ?

5. Как количественно оценивается чувствительность РПрУ?

Информация в лекции «Библия и наука» поможет Вам.

6. По какой характеристике оценивается одноканальная частотная избирательность?

7. Как определяется полоса пропускания приемника?

8. Что такое динамический диапазон приемника и как он определяется?

9. Как оцениваются шумовые показатели приемника (усилителя)? Почему шумовые свойства малошумящих устройств удобнее оценивать по шумовой температуре, а не по коэффициенту шума?

10. Поясните влияние шумовых и усилительных показателей отдельных каскадов на шумовые характеристики многокаскадных устройств.

4.2 АЧХ и ФЧХ усилителя. Усилитель

Похожие главы из других работ:

Амплитудно–модулированный передатчик ближней связи

3. Расчет усилителя

Усилитель выбираем отражательного типа [1] на лавинно — пролетном диоде. Возьмем ЛПД типа АА730Г, его параметры приведены в табл.2. Таблица 2 f, ГГц ,ГГц , пФ ,пФ нГн нГн Вт , Ом , В , мА n 11,5-15,0 13.25 0.14 0.45 0.7 0.5 0,5 1,5 35-80 120-250 1…

Импульсно–модулированный СВЧ передатчик

3. Расчет усилителя

Усилитель выбираем отражательного типа [1] на лавинно — пролетном диоде. Возьмем ЛПД типа АА730Г, его параметры приведены в табл.2. Таблица 2 f, ГГц ,ГГц , пФ ,пФ нГн нГн Вт , Ом , В , мА n 11,5-15,0 13.25 0.14 0.45 0.7 0.5 0,5 1,5 35-80 120-250 1…

Проектирование и расчет усилителей

1.1 Понятие усилителя

Усилителем называется устройство…

Разработка микропроцессорной системы управления подачей воздуха в термотравильный агрегат ТТА№3 цеха №1 ООО «Спецтехнологии»

2.1.3 Выбор усилителя

Пускатель ПБР-2М Назначение Пускатель предназначен для бесконтактного управления электрическим исполнительным механизмом с однофазным конденсаторным электродвигателем…

Разработка стенда для исследования усилителя по схеме с общим эмиттером, коллектором

1.1.2 Структура усилителя

Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители)…

Расчет усилительного устройства

9. Моделирование усилителя без ООС

Схема усилителя представлена на рис.17. Для усилителя взято входное напряжение, обеспечивающее заданное UНm на выходе. Для лучшей сходимости рассчитанного и реального коэффициента усиления был введен дополнительный резистор R. Рис.17…

Расчет усилительного устройства

10. Моделирование усилителя с ООС

Схема усилителя представлена на рис. 20. Для усилителя взято входное напряжение, обеспечивающее заданное UНm на выходе. Чтобы «сгладить» АЧХ в области частот 100 Гц — 1кГц, значение емкости C3 было увеличено до 27 мкФ…

Расчет усилителя

6 РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ НИЗКИХ ЧАСТОТ НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Задано -требуемый коэффициент усиления: Кус =100; -тип операционного усилителя: К140УД1Б; -минимальное входное напряжение: Uвхmin = 5 мВ; -тип усилителя: инвертирующий. Рисунок 6…

Система измерений, обработки и регистрации постоянного напряжения

4.3 Расчет усилителя AD2

Усилитель предназначен: для преобразования уровней измеряемых напряжений к уровням диапазона входных значений аналого-цифрового преобразователя, т.е. к уровням…

Сравнительная характеристика технических данных радиостанций

7.3 Расчет элементов и узлов принципиальной схемы предварительного усилителя, усилителя низкой частоты и усилителя высокой частоты УВЧ2

На рисунке 7.5 приведена электрическая принципиальная схема предварительного усилителя, усилителя низкой частоты и усилителя высокой частоты УВЧ2. В основе схемы лежит микросхема 140-УД20А, которая состоит из операционных усилителей (Da1…

Стационарная система радиосвязи

3.6 Тип усилителя радиочастоты

В качестве усилителей мощности в передатчике будут использоваться транзисторные усилители [6,16]. Особенностью ОМ является то, что при отсутствии модулирующего колебания выходное ОМ колебание также равно нулю…

Схема микрофонного усилителя

8. Моделирование усилителя

Усилитель моделирован с помощью Electronics Workbench 5.12. Рисунок 8 — Модель микрофонного усилителя Результат моделирования частотных характеристик в пределах, определенных техническим заданием, показан на рисунке 9…

Управляемый формирователь импульсов

1. Расчет усилителя

Для расчета усилителя необходимо выбрать транзистор. Основными параметрами при выборе транзистора будут являться мощность, скважность (для определения типа транзистора), граничная частота…

Усилитель

4.2 АЧХ и ФЧХ усилителя

Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) называется функция, показывающая как изменяется амплитуда гармонического сигнала при прохождении через цепь в зависимости от частоты сигнала…

Электронный вольтметр переменного тока действующих значений

1.4 Расчет усилителя

Усилитель представляет собой усилитель переменного напряжения, состоящий из двух каскадов, выполненных на ОУ OP37. Рис 3…

Низкочастотный анализ BJT

Низкочастотный анализ BJT:

От на рисунке выше, он имеет три RC-цепи, которые влияют на его усиление, поскольку частота понижается ниже среднего. Это,

· RC-цепь, образованная входным разделительным конденсатором C ₁ и входное сопротивление усилителя.

· RC-цепь, образованная выходным разделительным конденсатором C ₂ , сопротивление со стороны коллектора и сопротивление нагрузки.

· RC-цепь образована эмиттерным шунтирующим конденсатором C _E и сопротивление, смотрящее на эмиттер.

Входная RC-сеть :

На следующем рисунке показана входная RC-сеть, образованная C ₁ и входное сопротивление усилителя.

значение сопротивления составляет _RR = R ₁ || R ₂ || R _дюйм (базовый)

А критическая точка в отклике усилителя обычно возникает, когда выходное напряжение 70.7% от ввода. В критической точке

При этом состояние, R _дюйм = X _c1

Всего усиление уменьшается из-за затухания, обеспечиваемого входной RC-цепью. В снижение общего прироста составляет,

частота f _c в этом состоянии называется нижней критической частотой и дается выражением,

Если сопротивление входного источника с учетом приведенного выше уравнения становится,

Фаза угол во входной RC-цепи выражается как

Выходная RC-сеть:

Вышеуказанное На рисунке показана выходная RC-цепь, образованная C ₂ , сопротивление выглядит на коллекторе и сопротивлении нагрузки.

критическая частота для этой RC-сети равна,

Фаза угол в выходной RC-цепи задается как,

Обходная сеть:

От рисунок выше,

— это сопротивление, смотрящее на эмиттер.Он выводится следующим образом: R = (V _b / βI _b ) + h _т.е. / β

Где R _TH = _{рэнд 1} || R ₂ || R _с . Это thevenin эквивалентное сопротивление, если смотреть от базы транзистора к Вход.

критическая частота для байпасной сети

Проблема:

Определить Низкочастотная характеристика схемы усилителя показана на рисунке.

Решение:

Это необходимо проанализировать каждую сеть, чтобы определить критическую частоту усилитель звука.

Вышеуказанное Анализ показывает, что входная сеть производит доминирующую нижнюю критическую частоту.Тогда низкочастотная характеристика данного усилителя показана в следующий рисунок.

Границы | Снижение частоты среза в нейронных усилителях: анализ и реализация в CMOS 65 нм

1. Введение

Получение нейронного сигнала играет решающую роль в понимании функций различных частей мозга, а также в изучении и лечении его различных расстройств (Stevenson and Kording, 2011).Кроме того, эти данные используются при разработке нервных протезов (Sun et al., 2008) и интерфейсов мозг-машина (BMI) (Fifer et al., 2012). Вот почему спрос на новые методы, позволяющие контролировать активность мозга по беспроводной сети с помощью имплантируемых устройств, растет с каждым днем ​​(Schwartz et al., 2006; Mollazadeh et al., 2009; Cook et al., 2013). Полный обзор нейронной записи дан в Hashemi Noshahr et al. (2020) и Луан и др. (2020).

Мозговые сигналы очень малы и имеют очень узкую полосу пропускания.Например, максимальная амплитуда потенциалов местного поля (LFP) обычно составляет 1 мВ, а частотный диапазон составляет от <1 Гц до 300 Гц (Van Rijn et al., 1991). С другой стороны, амплитуда импульсов или нейронных потенциалов действия (AP) обычно достигает 500 мкВ, а их рабочая частота достигает 7 кГц (Najafi and Wise, 1986).

Увеличение количества узлов нейронной записи, которые называются каналами, требуется в некоторых приложениях, поскольку пространственное разрешение регистрируемых сигналов увеличивается.Например, общее количество каналов, о которых сообщается в Musk (2019), составляет 3072. Электрохимическая реакция на границе раздела электрод-ткань в каждом канале генерирует различные напряжения смещения постоянного тока на различных электродах. Эти напряжения обычно варьируются от 1 до 10 мВ, а в некоторых случаях до 50 мВ (Bagheri et al., 2017). Поскольку напряжения смещения каналов имеют высокое значение, они могут вызвать насыщение нейронного усилителя. Следовательно, их следует устранить. Наиболее распространенный подход к блокировке этого входного смещения постоянного тока — использование больших конденсаторов связи по переменному току (Harrison and Charles, 2003; Ng and Xu, 2012).С другой стороны, существует альтернативный метод, который блокирует эти напряжения смещения постоянного тока с помощью фильтра нижних частот в тракте обратной связи, который называется подавлением смещения входного сигнала со связью по постоянному току. Авторы Enz et al. (1995), Yazicioglu et al. (2008), Muller et al. (2012), Бидерман и др. (2013), Ли и др. (2019), Jomehei and Sheikhaei (2019), Cabrera et al. (2020) и Farouk et al. (2020) используют этот метод, однако для этого требуется большой конденсатор или усилитель с высоким энергопотреблением в тракте обратной связи.

При разработке многоканальных нейронных усилителей необходимо учитывать следующие факторы и уменьшать их в максимально возможной степени.

1. Потребляемая мощность: ткани мозга, окруженные имплантируемыми нейроусилителями, должны быть защищены от теплового повреждения. Для этого необходимо уменьшить рассеиваемую мощность этих усилителей.

2. Площадь микросхемы: нейронные усилители обычно огромны. Это потому, что они обычно используют большие входные конденсаторы, связанные по переменному току. Кроме того, чтобы уменьшить мощность фликкер-шума усилителей, размер МОП-транзисторов спроектирован так, чтобы он был очень большим, особенно в дифференциальных парах.Следовательно, для конкретной площади микросхемы, чтобы максимизировать количество каналов, усилители должны быть рассчитаны на их минимальную площадь.

3. Шум: нейронные сигналы имеют очень низкую амплитуду и полосу пропускания. Мерцание и тепловой шум схемы нейронного усилителя являются основным источником шума, который может снизить отношение сигнал / шум (SNR) на выходе усилителей. Вот почему они сконструированы как малошумящие усилители (МШУ). На низких частотах преобладает мощность фликкер-шума.Для уменьшения мощности фликкер-шума, помимо увеличения размера транзисторов и использования дифференциальной пары PMOS, используется метод стабилизации прерывателя (Denison et al., 2007; Verma et al., 2010; Xu et al. , 2011; Yazicioglu et al., 2011; Luo et al., 2019; Samiei, Hashemi, 2019). Метод стабилизации прерывателя модулирует низкочастотный шум OTA (фликкер-шум), а также напряжение смещения на более высокую частоту переключателями прерывателя. Эти более высокие частоты устраняются фильтром нижних частот (LPF).

65 нм CMOS и более тонкие технологии создают новые проблемы в результате эффекта короткого канала для аналоговых схем. Одна из этих проблем — снижение крутизны (gm) МОП-транзисторов, что снижает коэффициент усиления по напряжению всего усилителя. Эту проблему можно решить, сконструировав нейронный усилитель с 2 или 3 каскадами усиления (Zou et al., 2009; Rezaee-Dehsorkh et al., 2011). Другой деструктивный эффект эффектов короткого канала — это увеличение частоты среза низких частот ( f _L ) нейронных усилителей, связанных по переменному току.В этой статье мы анализируем параметры, влияющие на нижнюю частоту среза, и предлагаем два решения. Первое решение использует стандартную КМОП-матрицу и улучшает низкую частоту среза за счет увеличения входного сопротивления. Второй метод использует транзисторы на толстом оксиде для увеличения входного сопротивления.

Остальная часть статьи организована следующим образом. В разделе II анализируется частота среза в нейронных усилителях. В разделе III представлены два предложенных решения. Результаты экспериментов представлены в разделе IV, а статья завершается в разделе V.

2. Анализ нижней частоты среза

На рисунке 1 показана схема полностью дифференциального нейронного усилителя с традиционной архитектурой емкостной цепи обратной связи (CFN). Как объясняется в Harrison and Charles (2003), эта архитектура является одной из самых популярных архитектур нейронных усилителей со связью по переменному току с точки зрения низкого энергопотребления, низкого уровня шума и компактной площади. Кроме того, использование псевдорезисторов NMOS с толстым оксидом вместо псевдорезисторов PMOS обеспечивает лучшее полное гармоническое искажение (THD) (Kassiri et al., 2013).

Рисунок 1 . Полностью дифференциальный нейронный усилитель с емкостной обратной связью.

На рисунке 2 показана частотная характеристика этого нейронного усилителя CFN как полосового усилителя. Если предположить, что коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя крутизны (OTA) значительно высок, коэффициент усиления по напряжению усилителя в средней полосе ( A _M ) можно приблизительно рассчитать как

, где C _I и C _F — входная емкость и емкость обратной связи усилителя соответственно.Кроме того, нижняя частота среза ( f _L ) усилителя может быть приблизительно равна

.

где R _F — динамическое сопротивление псевдорезисторов NMOS усилителя.

Рисунок 2 . Амплитудно-частотная характеристика усилителя.

Как показано в уравнении 2, для уменьшения f _L , C _F и R _F следует увеличить.Однако, увеличивая C _F , необходимо увеличить C _I для сохранения того же усиления, что приводит к огромным потерям площади для каждого канала многоканального устройства. Кроме того, это приводит к снижению входного сопротивления нейронного усилителя.

Псевдорезисторы

MOS могут использоваться в качестве сопротивления обратной связи ( R _F ) из-за их компактности и высокого сопротивления. Однако недостатком этого метода является то, что псевдорезисторы MOS обеспечивают гораздо меньшее сопротивление в передовых технологиях.Например, в старой технологии, такой как технология CMOS 1,5 мкм, при использовании псевдорезистора MOS для R _F , C _F всего 200 фФ достаточно для достижения f. _L 0,025 Гц (Харрисон и Чарльз, 2003). Тем не менее, с той же техникой и тем же значением для C _F , в технологии 180 нм CMOS сообщается о f _L 39 Гц (Shoaran et al., 2014). Более того, в технологии 130 нм CMOS (Abdelhalim et al., 2013) более высокое значение C _F в 300 fF используется для компенсации низкого R _F для обеспечения f _L 0,1 Гц. Более того, в технологии 65 нм CMOS результаты нашего моделирования показывают, что при использовании C _F 200 fF, f _L достигается при 472 Гц.Чтобы лучше понять эффекты, которые увеличивают значение f _L в передовых КМОП-технологиях, мы приводим ниже анализ слабого сигнала усилителя.

Эквивалентная полусхема слабого сигнала нейронного усилителя, показанного на рисунке 1, изображена на рисунке 3. OTA можно смоделировать как однополюсный усилитель с полюсом на выходном узле. На этом рисунке G _m — это прозрачность OTA, а C _в , R _i и R _o — входной терминал OTA. емкость, сопротивление и сопротивление выходных клемм соответственно.Мы извлекаем постоянную времени первого полюса как

τ1 = 1p1 == CF (Go + Gm) + CoGF + Ci (Go + GF) + Gi (Co + CF) GF (Gm + Go) + Gi (GF + Go) (3)

Уменьшение толщины оксида в передовых технологиях приводит к более низкому входному сопротивлению (т. Е. Более высокому G _i ) из-за более высокого тока утечки затвора. При увеличении G _i знаменатель в уравнении (3) растет намного быстрее, чем числитель.Следовательно, постоянная времени (τ ₁ ) увеличивается, что приводит к уменьшению f _L .

Рисунок 3 . Слабосигнальный эквивалент полусхемы нейронного усилителя.

Однако для более старых технологий мы можем упростить уравнения (3) — (4), предположив, что входное сопротивление OTA ( R _i ) равно бесконечности (т. Е. G _i приблизительно равно ноль) (Hashemi Noshahr and Sawan, 2017).

τ1 = 1p1 = RFCF + CoRo1 + GmRo + Ci (RF + Ro) 1 + GmRo (4)

Если коэффициент усиления OTA ( G _m R _o ) высокий, второй и третий члены этого уравнения можно считать незначительными, что приводит к уравнению (5), где соответствующая частота to τ ₁ совпадает с уравнением (2). Другими словами, уравнение (5) является частным случаем уравнения (3), где коэффициент усиления OTA высокий, а входное сопротивление OTA равно бесконечности.

На рисунке 4 показана частотная характеристика малосигнальной модели усилителя, показанного на рисунке 3, для различных значений R _i . Напряжение постоянного тока на выходах смещено до 0,5 В, а в качестве резисторов обратной связи используются толстооксидные псевдорезисторы NMOS. Значения G _m , R _o , C _I , C _F , C _в и C _o выбраны как 22.4 мкА, 157 МОм , 11,5 пФ , 200 фФ , 3 пФ и 200 фФ соответственно. Как показано на этом рисунке, f _L уменьшается с увеличением R _i .

Рисунок 4 . Моделирование АЧХ нейронного усилителя с различными значениями R _i .

3. Предлагаемые решения

В этом разделе мы предлагаем два решения для уменьшения частоты среза до 1 Гц OTA в передовых технологиях CMOS без увеличения емкости обратной связи ( C _F ).

3.1. Положительная обратная связь с перекрестной связью

На рис. 5 показана архитектура нейронного усилителя с подключениями с перекрестной положительной обратной связью (CCPF), в котором используется несколько (n + 2) псевдорезисторов. На рисунке 6 показаны две реализации соединений CCPF (дальние и близкие соединения), в которых каждый псевдорезистор реализован со стандартным транзистором PMOS. Зная тот факт, что CCPF обеспечивает отрицательное сопротивление (- | R _N |), эквивалентное входное сопротивление OTA может быть представлено как

Rieq = Ri || (- | RN |) = Ri | RN || RN | -Ri (6)

Как показано в уравнении (6), чтобы максимизировать R _ieq , (| R _N | — R _i ) необходимо минимизировать.Другими словами, для достижения очень высокого положительного эквивалентного входного сопротивления величина | R _N | должно быть немного выше R _i , а (| R _N | — R _i ) должно приближаться к нулю. Однако, поскольку это отрицательное сопротивление создается положительной обратной связью, стабильность усилителя ограничивает нижнюю границу (| R _N | — R _i ).

Рисунок 5 . Нейронный усилитель с перекрестной архитектурой положительной обратной связи.

Рисунок 6 . Перекрестные соединения с положительной обратной связью.

Чтобы проверить уравнение (6), мы вычисляем отрицательное сопротивление CCPF. На рисунке 7 показана эквивалентная схема малого сигнала нейронного усилителя с удаленными соединениями CCPF. Для простоты расчета мы предполагаем, что все псевдорезисторы идентичны и имеют одинаковую стоимость.

Рисунок 7 . Эквивалентная схема слабого сигнала нейронного усилителя с подключением CCPF.

Выполнение KVL в петлях DCBGHD и DCFGHD дает

Также выполнение KVL на контурах ABCFEA и DCBGHD с учетом (Уравнение 7) приводит к следующим двум уравнениям

(n + 2) Ri1 + nRi2 = ΔV (8) (n + 2) Ri1 + (n + 4) Ri2 = GmRoΔV (9)

После решения этих уравнений значение i ₁ будет

i1 = (n + 4) -GmRon4 (n + 2) RΔV (10)

Как показано на рисунке 7, RN = ΔVi1 — эквивалентное сопротивление всей цепи, подключенной к входным клеммам OTA (узлы A и E), которое параллельно R _в .Учитывая (уравнение 10), R _N можно представить как

RN = 4 (n + 2) R (n + 4) -GmRon (11)

Зная, что усиление OTA ( G _m R _o ) очень велико, доминирующее значение R _N является отрицательным. На практике значения псевдорезисторов не равны и меняются в зависимости от их токов (или их напряжений). Следовательно, уравнение (11) не является точным, и для вычисления точного значения R _N требуются результаты моделирования.

Значение нижней частоты среза усилителя зависит от количества и размера (W / L) псевдорезисторов, а также от положения соединений CCPF (далеко или близко). Например, если принять C _I = 10 пФ , C _F = 200 fF , C _L = 1,7 пФ и n = 4 для дальнего подключения CCPF в усилителе, показанном на рисунке 5, дает значение f _L , равное 0.27 Гц с усилением в средней полосе 31,67 дБ, а значение полной емкости этого усилителя составляет 22 пФ. Чтобы уменьшить общую емкость, мы использовали цепь обратной связи с T-конденсатором, показанную на рисунке 8 (Ng and Xu, 2013). Псевдорезисторы и соединения CCPF на этом рисунке реализованы аналогично рисунку 6 с 6 транзисторами PMOS.

Рисунок 8 . Архитектура сети обратной связи Т-конденсатора с CCPF.

Усиление средней полосы усилителя на рисунке 8 рассчитывается как

. AM = (CICF1) (CF1 + CF2 + 2CF12CF12) (12)

Мы можем отрегулировать емкости в уравнении (12), чтобы общая емкость OTA оставалась низкой, сохраняя при этом то же усиление.Например, на рисунке 8, выбрав номинал конденсаторов как C _I = 1,4 пФ , C _{F 1} = C _{F 2} = 200 фФ , C _{F 12} = 400 фФ и C _L = 200 фФ , общая емкость конденсатора усилителя уменьшается до 4,2 пФ , а нижняя частота среза увеличивается от 0.От 27 до 1,5 Гц, что все еще находится в допустимом диапазоне.

На рисунках 9, 10 показаны частотные характеристики усилителя с точки зрения усиления и фазы соответственно, а также при удаленных, близких и отсутствующих соединениях CCPF. Величина нижней частоты среза для дальних, близких и отсутствующих соединений CCPF составляет 1,5, 143 и 320 Гц соответственно.

Рисунок 9 . Моделирование частотной характеристики (усиления) усилителя, показанного на рисунке 8, с удаленным, близким и отсутствующим подключением CCPF.

Рисунок 10 .Моделирование частотной характеристики (фазы) усилителя на Рисунке 8 с дальним, близким и отсутствующим подключением CCPF.

Положительная обратная связь в архитектуре усилителя CCPF может привести к нестабильности. Однако, тщательно спроектировав количество псевдорезисторов, размеры транзисторов и положение подключения CCPF, мы можем убедиться, что отрицательная обратная связь преобладает, а вся архитектура стабильна и удовлетворяет как минимум 60-градусному запасу по фазе. На рисунке 11 показано моделирование частотной характеристики разомкнутого контура усилителя, показанного на рисунке 8, с запасом по фазе 70 градусов.

Рисунок 11 . Моделирование частотной характеристики разомкнутого контура (коэффициент усиления и фаза) усилителя на Рисунке 8 с запасом по фазе 70 градусов.

Добавляя переключатели к соединению CCPF, мы можем программировать (то есть включать или выключать) соединения в процессе пост-изготовления. В случае нескольких псевдорезисторов (например, 18) в более удаленных соединениях CCPF может наблюдаться нестабильность из-за изменения процесса. Следовательно, программируя связи и выбирая более близкие связи, мы можем избежать нестабильности.Кроме того, возможность программирования также дает нам контроль над значением f _L . Более тесные соединения имеют более высокое значение f _L и более стабильны. С другой стороны, более дальние соединения имеют более низкое значение f _L за счет меньшей стабильности.

3.2. Дифференциальная пара толстого оксида

Второй метод увеличения входного сопротивления OTA без увеличения емкости обратной связи заключается в использовании толстооксидных МОП-транзисторов во входной дифференциальной паре.На рисунке 12 показана реализация на уровне транзистора OTA, показанного на рисунке 1, с входной дифференциальной парой PMOS с толстым оксидом. На этом рисунке корпуса транзисторов NMOS заземлены, тогда как корпуса транзисторов PMOS подключены к их источникам. Размер каждого транзистора показан в таблице 1, а токи смещения приведены в таблице 2.

Рисунок 12 . Полностью дифференциально свернутый каскод OTA, используемый в нейронном усилителе.

Таблица 1 .Размеры транзисторов нейронного усилителя.

Таблица 2 . Токи смещения нейронного усилителя.

На рисунке 13 показаны результаты моделирования спроектированного нейронного усилителя с использованием OTA, показанного на рисунке 12, и OTA со стандартной входной дифференциальной парой PMOS. Коэффициент усиления ОТА и всего нейронного усилителя составляет 68,2 и 34,6 дБ соответственно. Как показано на этом рисунке, применение PMOS из толстого оксида во входной дифференциальной паре улучшило нижнюю частоту среза с 360 до 0.19 Гц. Эти результаты моделирования подтверждают, что увеличение входного сопротивления OTA за счет использования PMOS толстого оксида в дифференциальной паре резко снижает частоту среза низких частот.

Рисунок 13 . Моделирование АЧХ нейронного усилителя с толстым оксидом и стандартной дифференциальной парой PMOS.

Для увеличения отношения сигнал / шум нейронного усилителя первый каскад нейронного усилителя выполнен в виде LNA. Чтобы уменьшить фликкер-шум OTA на рисунке 12, мы оптимизируем размер транзисторов PMOS во входной дифференциальной паре (т.е.е., M ₁ и M ₂ ). Кроме того, как упоминалось в Harrison and Charles (2003), для минимизации теплового шума транзисторы M ₁ и M ₂ смещены в подпороговой области, чтобы максимизировать их крутизну по току стока, называемую крутизной. КПД ( г _м / I _D ), а транзисторы M ₃ , M ₄ , M _{9 a} , M _{9 b} , M _{10 a} и M _{1 0 b} смещены в области насыщения, чтобы минимизировать их g _m / I _D .

Как упоминалось ранее, полоса пропускания и рабочая частота нейронных усилителей очень низкие, поэтому доминирующей мощностью шума является фликкер-шум. Кроме того, в OTA на рисунке 12 транзисторы дифференциальной пары являются основным источником фликкер-шума по сравнению с другими транзисторами (Razavi, 2005). Поэтому для анализа шума предлагаемого нейронного усилителя мы исследуем только влияние дифференциальной пары PMOS с толстым оксидом. Использование PMOS-транзисторов с толстым оксидом в дифференциальной паре OTA снижает емкость оксида затвора на единицу площади ( C _ox ) из-за увеличенной толщины оксида затвора ( t _ox ).Использование PMOS из толстого оксида во входной дифференциальной паре увеличивает мощность фликкер-шума за счет уменьшения C _ox . Связь между шумом, приведенным ко входу всего нейронного усилителя (Vni, amp2¯), и шумом, приведенным к входу OTA (Vni2¯), представлена ​​как

Vni, amp2¯ = (CI + CF + CinCI) 2.Vni2¯ (13)

Уменьшение C _ox из-за использования дифференциальной пары PMOS толстого оксида увеличивает Vni2¯ и уменьшает C _в в уравнении (13).Поскольку увеличение Vni2¯ намного превышает уменьшение его коэффициента, Vni, amp2¯ увеличивается за счет уменьшения C _ox . Чтобы компенсировать этот недостаток, мы можем увеличить коэффициент усиления LNA ( C _I / C _F ), увеличив C _I , чтобы уменьшить Vni, amp2¯in Уравнение (13). Результаты моделирования показывают, что минимальное приведенное к входу шумовое напряжение нейронного усилителя равно 5.9 μ В _{среднеквадратичное значение} в диапазоне частот от 1 Гц до 5,6 кГц (полоса пропускания).

Обратите внимание, что для дальнейшего снижения шума OTA необходимо применять методы уменьшения шума, такие как метод стабилизации прерывателя, который выходит за рамки данной статьи.

На рисунке 14 показаны результаты моделирования методом Монте-Карло ( N = 1000) нижней частоты среза. Как показано на этом рисунке, μ равно 0,159 Гц, а σ равно 0.052, в результате чего 3σμ составляет 0,983.

Рисунок 14 . Моделирование методом Монте-Карло нижней частоты среза нейронного усилителя.

На рисунках 15, 16 показан анализ методом Монте-Карло CMRR и PSRR нейронного усилителя. Применение МОП-транзисторов с толстым оксидом во входной дифференциальной паре значительно снижает ток утечки затвора и увеличивает входной импеданс OTA, и, следовательно, улучшаются CMRR и PSRR.

Рисунок 15 . Монте-Карло анализ CMRR нейронного усилителя.

Рисунок 16 . Анализ методом Монте-Карло PSRR нейронного усилителя.

4. Измерение и

in vitro Результаты

4.1. Измеренная производительность

Прототип реализован в 65-нм CMOS-процессе TSMC. C _I и C _F установлены на 11,5 пФ и 208 фФ, соответственно, в компоновке для достижения усиления 55 В / В (или 34,3 дБ) (AM = CICF ). В прототипе используется 0.04 мм ² (270 мкм × 150 мкм) площади кремния. Микрофотография кристалла, содержащего усилитель, показана на рисунке 17.

Рисунок 17 . Микрофотография чипа, содержащего нейронный усилитель с площадью кристалла 270 мкм × 150 мкм.

Измеренная частотная характеристика от 0,1 Гц до 1 МГц выполняется через физиологическую среду, чтобы имитировать среду мозга, а также результат моделирования показан на рисунке 18. Усиление в средней полосе составляет 34,3 дБ, а низкие и высокие частоты среза составляют 2 Гц. и 5.6 кГц соответственно. Смоделированная нижняя частота среза составляет 0,19 Гц, что меньше, чем полученная в результате измерения. Это отклонение ожидается, поскольку псевдорезисторы МОП нелинейны и в значительной степени чувствительны к их рабочей точке (Харрисон и Чарльз, 2003).

Рисунок 18 . Измеренная и смоделированная частотная характеристика усилителя. Измеренное усиление в средней полосе составляет 34,3 дБ, а низкие и высокие частоты среза находятся на 2 Гц и 5,6 кГц соответственно.

На рисунке 19 показана измеренная спектральная плотность приведенного к входу напряжения шума нейронного усилителя.Среднеквадратичное значение приведенного к входу шума достигается как 6,1 мк. В _{среднеквадратичное значение} путем интегрирования площади под кривой от 1 Гц до 5,6 кГц (полоса пропускания усилителя) на рисунке 19. Это значение немного выше, чем смоделированное. результат (5,9 мкм В _{среднеквадратичное значение} ).

Рисунок 19 . Измеренный спектр напряжения шума, приведенного к входу.

Таблица 3 показывает сводку смоделированных и измеренных параметров прототипа.Сравнение нашей работы с другими опубликованными работами представлено в таблице 4. Все выбранные нейронные усилители связаны по переменному току. Чтобы справедливо сравнить эти усилители с разными значениями усиления, количеством каскадов и технологией, мы рассматриваем только первый каскад каждого усилителя.

Таблица 3 . Экспериментальные и имитационные характеристики нейронного усилителя.

Таблица 4 . Сравнение полностью интегрированных нейронных усилителей.

Результаты измерений показывают, что достигнутый коэффициент усиления является самым высоким среди всех в таблице 4.Обратите внимание, что выигрыш для Xiao et al. (2010) представлена ​​для двух стадий. Также площадь изготовленного чипа меньше, чем у других. Однако следует отметить, что сравнение площади самого чипа без учета усиления в средней полосе не является справедливым сравнением. Усиление в средней полосе ( A _m ) равно CICF. Нижняя частота среза ( f _L ) определяется C _F , а C _I определяется усилением и C _F .Также обратите внимание, что основной вклад в площадь чипа составляет C _I . Другими словами, для нормализованного усиления меньшее значение C _F приводит к меньшей площади кристалла. Следовательно, сравнение C _F является лучшим показателем для сравнения площади кристалла, в то время как усилители имеют разные коэффициенты усиления. В этом случае значения C _F предлагаемого усилителя и Ng и Xu (2016) равны 208 и 350 фФ соответственно.Обратите внимание, что усиление, указанное в нашей работе, составляет 34,3 дБ, в то время как усиление в Ng и Xu (2016) составляет 26,4 дБ. Вот почему общая область нашей работы почти такая же, как у Нг и Сюй (2016).

Усилитель Song et al. (2013) была реализована по технологии 0,18 мкм с усилением 26 дБ. Его полюс высоких частот составляет 80 Гц. Значение C _F не сообщается, однако общая площадь усилителя составляет 0,16 мм ² , что значительно больше.В Abdelhalim et al. (2013) нейронные усилители с коэффициентом усиления 54–60 дБ в двух каскадах усиления были реализованы в процессе 0,13 мкм м . Первый каскад (МШУ) с расчетным усилением 31,8 дБ имеет конденсаторы обратной связи емкостью 300 фФ с низкой частотой среза 0,1 Гц. Наш анализ показывает, что модель C _F в Abdelhalim et al. (2013) может быть уменьшено до 200 фФ, если использовать дифференциальную пару толстого оксида.

Нейронный усилитель Сяо и др. (2010) использовали два каскада усиления, чтобы получить 49 дБ в диапазоне 0.13 мкм м процесс. Стоимость C _F не сообщается. Однако расчетная площадь усилителя f _L составляет 0,4 мм ² и 100 Гц соответственно. Этот усилитель занимает очень большую площадь и имеет высокую нижнюю частоту среза. Конструкции Бидермана и др. (2015) используют малошумящий усилитель с усилением 26 дБ, изготовленный по 65-нм КМОП-технологии. В нем используется конденсатор обратной связи 500 фФ, параллельный псевдорезистору в традиционной архитектуре CFN, аналогичной нашей работе.Нижняя частота среза f _L регулируется с минимальным значением 10 Гц. Нейронный усилитель состоит из усилителя с регулируемым усилением (VGA) и буфера для достижения усиления 45–60 дБ. Усилитель в Ng and Xu (2016) был реализован с двумя каскадами усиления с усилением в средней полосе 52,1 дБ по технологии 65 нм. Коэффициент усиления в первом каскаде, LNA, составляет 26,4 дБ, а для f _L отображается 1 Гц. LNA использует OTA на основе CMOS-инвертора с 360 fF как C _F .Усилитель, разработанный Ким и Ко (2019), использует относительно небольшие транзисторы в OTA. В дополнение к маленьким транзисторам используется более старый процесс 0,18 мкм m , который помогает уменьшить утечку затвора и увеличить входное сопротивление OTA. В результате получается низкий f _L 6,4 Гц. Однако это происходит за счет высокого напряжения шума, приведенного к входу (10,68 мкм В _{среднеквадратичного значения} ). CMRR и PSRR в типичном моделировании угла равны 66.3 и 88 дБ соответственно. Как упоминалось ранее, когда используется КМОП с толстым оксидом, CMRR и PSRR увеличиваются по сравнению со случаем, когда используется стандартная КМОП. Это увеличение связано с увеличенным входным сопротивлением OTA. Кроме того, из-за меньшего эффекта короткого канала в МОП-транзисторах с толстым оксидом улучшаются линейность и THD усилителя.

4.2.

In vitro Нейронная запись

Мы использовали этот нейронный усилитель для нейронных записей в эксперименте in vitro на срезах мозга мыши на факультете стоматологии Монреальского университета.Микропипетка используется для регистрации электрической активности мозга. Микропипетка заполняется NaCl (0,5 моль) без пузырьков. Эта микропипетка содержит металлический электрод из AgCl, который регистрирует внеклеточные AP ствола мозга среза мозга мыши. Срез мозга вставляется и фиксируется в камере, содержащей искусственную спинномозговую жидкость (ACSF), которая постоянно насыщается кислородом и поддерживается влажной, чтобы имитировать реальную среду мозга и поддерживать нейроны в живых в течение нескольких часов.Микропипетка постепенно проникает в ткань ствола мозга с помощью микроскопа и его периферийных инструментов.

Для завершения испытательной установки электрод микропипетки из AgCl подключается к неинвертирующему входу прототипа усилителя. Подключение камеры, включая ACSF, подключается к инвертирующему порту усилителя как Vref. Следует отметить, что для выполнения этих соединений используются экранированные провода. Коммерческая установка системы нейронной записи, содержащей инструментальный усилитель (A-M systems, Inc.), смонтированное в стойке оборудование для сбора данных и ПК с программным обеспечением spike2 на базе Windows (версия 5.19, разработка Cambridge Electronic). Выход предлагаемого усилителя подключен к коммерческому усилителю. Коммерческий усилитель представляет собой полосовой усилитель с усилением в средней полосе 100 (В / В) и с низкой и высокой частотами среза 300 Гц и 5 кГц, соответственно. Установка нижней частоты среза на уровне 300 Гц позволяет нам исключить LFP и извлечь дополнительные сотовые AP из выходного сигнала.При использовании коммерческого усилителя в качестве усилителя второго каскада общее усиление достигается на уровне 5300 В / В . Во время процедуры тестирования усиленный сигнал дискретизируется с частотой 10 kS / s, оцифровывается упомянутым оборудованием для сбора данных и передается на ПК. Spike2 использовался для наблюдения за захваченными данными на ПК. На рисунке 20 показаны зарегистрированные спонтанные внеклеточные AP из ствола мозга мыши с помощью предлагаемого нейронного усилителя.

Рисунок 20 .Записанные внеклеточные AP, извлеченные из ствола мозга мыши с помощью изготовленного нейронного усилителя.

5. Заключение

Технология уменьшения масштаба ставит новые задачи при проектировании нейронных усилителей. Одной из основных проблем является повышенная частота среза низких частот ( f _L ) усилителей, связанных по переменному току, при условии использования того же значения емкости обратной связи. Самое простое решение — увеличить конденсаторы обратной связи. Однако это происходит за счет увеличения входных конденсаторов при том же коэффициенте усиления усилителя, что увеличивает площадь кремния и снижает входное сопротивление усилителя.Предполагая, что имплантат нейронной записи требует большого массива этих усилителей, общее потребление кремниевой области резко возрастает.

В этой статье мы сосредотачиваемся на этой проблеме, ищем ее корни и предлагаем решения для ее улучшения. Уменьшение масштаба технологии увеличивает ток утечки дифференциальной пары OTA из-за уменьшения толщины оксида затвора (эффекты короткого канала). Это приводит к уменьшению входного сопротивления ( R _i ) OTA.С помощью моделирования, подкрепленного аналитическим анализом, мы показываем, что уменьшение R _i является фундаментальной причиной увеличения f _L . В этой статье представлены два различных решения для увеличения R _i : применение архитектуры с перекрестно связанной положительной обратной связью и использование транзисторов PMOS с толстым оксидом в дифференциальной паре OTA. Моделирование подтверждает, что оба решения уменьшают f _L .Мы разработали и изготовили последнее решение по 65-нм техпроцессу TSMC. Экспериментальные результаты показывают, что нижняя частота среза снижается до 2 Гц с конденсатором обратной связи емкостью 208 фФ ( C, _F ). Нейронный усилитель подтвержден экспериментом in vitro на срезах ствола мозга мышей.

Заявление о доступности данных

Оригинальные материалы, представленные в исследовании, включены в статью / дополнительные материалы, дальнейшие запросы можно направлять соответствующим авторам.

Авторские взносы

Все перечисленные авторы внесли существенный, прямой и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее к публикации.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

Абдельхалим, К., Кокаровцева, Л., Веласкес, Дж. Л. П., и Генов, Р.(2013). Беспроводная система регистрации нейронных сигналов с частотой 915 МГц FSK / OOK с 64 КИХ-фильтрами смешанных сигналов. IEEE J. Solid State Circ. 48, 2478–2493. DOI: 10.1109 / JSSC.2013.2272849

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Багери А., Салам М. Т., Веласкес Дж. Л. П. и Генов Р. (2017). Подавление низкочастотного шума и смещения в нейронных усилителях со связью по постоянному току: обзор и руководство по проектированию с цифровой поддержкой. IEEE Trans. Биомед. Circ. Syst. 11, 161–176. DOI: 10.1109 / TBCAS.2016.2539518

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бидерман В., Йегер Д. Дж., Наревский Н., Коралек А. С., Кармена Дж. М., Алон Э. и др. (2013). Полностью интегрированный миниатюрный (0,125 мм ² ) беспроводной нейронный датчик мощностью 10,5 мкВт. IEEE J. Solid State Circ. 48, 960–970. DOI: 10.1109 / JSSC.2013.2238994

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бидерман В., Йегер Д. Дж., Наревский Н., Леверетт Дж., Нили Р., Кармена Дж. М. и др. (2015). A 4,78 мм ² полностью интегрированная система нейромодуляции, объединяющая 64 канала сбора данных с цифровым сжатием и одновременной двойной стимуляцией. IEEE J. Solid State Circ. 50, 1038–1047. DOI: 10.1109 / JSSC.2014.2384736

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кабрера К., Кабальеро Р., Коста-Раушерт М. К., Росси-Айкарди К. и Ореджони Дж. (2020). «Низковольтный малошумящий интегрированный биопотенциальный предусилитель с высоким CMRR», в IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers , 1–10.

Google Scholar

Кук, М. Дж., О’Брайен, Т. Дж., Беркович, С. Ф., Мерфи, М., Морокофф, А., Фабини, Г. и др. (2013). Прогнозирование вероятности приступов с помощью долгосрочной имплантированной консультативной системы по приступам у пациентов с лекарственно-устойчивой эпилепсией: исследование с участием человека. Ланцет Нейрол. 12, 563–571. DOI: 10.1016 / S1474-4422 (13) 70075-9

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Денисон, Т., Консор, К., Санта, В., Авеструз, А.-Т., Кули, Дж., И Келли, А. (2007). Инструментальный усилитель 2 мкВт 100 нВ / Гц, стабилизированный прерывателем, для постоянного измерения потенциалов нейронного поля. IEEE J. Solid State Circ. 42, 2934–2945. DOI: 10.1109 / JSSC.2007.

4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Энц, К. К., Крумменахер, Ф., и Виттоц, Э. А. (1995). Аналитическая модель МОП-транзистора, действующая во всех регионах эксплуатации и предназначенная для низковольтных и слаботочных приложений. Аналоговый интегр.Circ. Сигнальный процесс. 8, 83–114. DOI: 10.1007 / 978-1-4615-2283-6_7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фарук, Т., Дессуки, М., и Эльхатиб, М. (2020). Изготовление маломощного малошумящего усилителя нейронной записи на основе повторителя напряжения. Microelectron. J. 101: 104817. DOI: 10.1016 / j.mejo.2020.104817

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Файфер М., Ачарья С., Бенц Х., Моллазаде М., Крон Н. и Такор Н.(2012). К электрокортикографическому контролю над протезом верхней конечности: создание интерфейсов мозг-машина. IEEE Pulse 3, 38–42. DOI: 10.1109 / MPUL.2011.2175636

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Харрисон Р. Р. и Чарльз К. (2003). Маломощный малошумящий КМОП-усилитель для приложений нейронной записи. IEEE J. Solid-State Circ. 38, 958–965. DOI: 10.1109 / JSSC.2003.811979

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хашеми Ношахр, Ф., и Саван, М. (2017). «Компактный и маломощный полосовой усилитель для сигналов с низкой полосой пропускания в 65-нм CMOS», в IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS) , (Baltimore, MD: IEEE), 1–4.

Google Scholar

Джомехей, М. Г., и Шейхаи, С. (2019). Маломощный малошумящий КМОП-усилитель биопотенциала для многоканальной нейронной записи с активным подавлением постоянного тока и разделением тока. Microelectron. J. 83, 197–211. DOI: 10.1016 / j.mejo.2018.11.021

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кассири, Х., Абдельхалим, К., и Генов, Р. (2013). «Подпороговые МОП-резисторы с низким уровнем искажений для КМОП-нейронных усилителей», на конференции по биомедицинским схемам и системам (BioCAS), , (IEEE), 270–273.

Google Scholar

Ким Дж. И Ко Х. (2019). Самосмещающийся нейронный усилитель сверхмалого энергопотребления с многократным использованием тока и встроенным аналоговым обнаружением пиков. Доступ IEEE 7, 109792–109803.DOI: 10.1109 / ACCESS.2019.2933674

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли Б., Цзя Ю., Мирбозорги С. А., Коннолли М., Тонг X., Цзэн З. и др. (2019). Беспроводная система нейронной записи и стимуляции с индуктивным питанием для свободно ведущих животных. IEEE Trans. Биомед. Circ. Syst. 13, 413–424. DOI: 10.1109 / TBCAS.2019.28

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Луан, Л., Робинсон, Дж. Т., Аачанг, Б., Chi, T., Yang, K., Li, X., et al. (2020). Последние достижения в области проектирования электрических нейронных интерфейсов: минимальная инвазивность, долговечность и масштабируемость. Нейрон 108, 302–321. DOI: 10.1016 / j.neuron.2020.10.011

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ло, Д., Чжан, М., и Ван, З. (2019). Малошумящий чоппер-усилитель, предназначенный для сбора многоканальных нейронных сигналов. IEEE J. Solid State Circ. 54, 2255–2265. DOI: 10.1109 / JSSC.2019.2

1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Моллазаде, М., Мурари, К., Каувенберг, Г., и Такор, Н. В. (2009). Беспроводные микромощные приборы для мультимодального сбора данных об электрической и химической активности нейронов. IEEE Trans. Биомед. Circ. Syst. 3, 388–397. DOI: 10.1109 / TBCAS.2009.2031877

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мюллер Р., Гамбини С. и Рабай Дж. М. (2012). 0,013 мм ² , 5 мкВт, ИС сбора нейронного сигнала, связанная по постоянному току, с 0.Питание 5 В. IEEE J. Solid State Circ. 47, 232–243. DOI: 10.1109 / JSSC.2011.2163552

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Наджафи К. и Уайз К. Д. (1986). Имплантируемая многоэлектродная матрица с встроенной обработкой сигналов. IEEE J. Solid State Circ. 21, 1035–1044. DOI: 10.1109 / JSSC.1986.1052646

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нг, К. А., Сюй Ю. П. (2012). «Компактный нейронный записывающий усилитель с низкой входной емкостью, C _, / усиление 20 фФ.V / V », на конференции Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS), , (IEEE), 328–331.

Google Scholar

Нг, К. А., Сюй Ю. П. (2016). Система нейронного усилителя с низким энергопотреблением и высоким cmrr, использующая otas на основе cmos-инвертора с cmfb через шины питания. IEEE J. Solid State Circ. 51, 724–737. DOI: 10.1109 / JSSC.2015.2512935

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Разави Б. (2005). Разработка аналоговых КМОП интегральных схем .Нью-Йорк, Нью-Йорк: Образование Макгроу-Хилл.

Google Scholar

Резаи-Дехсорх, Х., Раваншад, Н., Лотфи, Р., Мафинежад, К., и Содагар, А. М. (2011). Анализ и проектирование перестраиваемых усилителей для имплантируемых приложений нейронной записи. IEEE Trans. Emerg. Sel. Верхний. Circ. Syst. 1, 546–556. DOI: 10.1109 / JETCAS.2011.2174492

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шварц, А. Б., Цуй, X. Т., Вебер, Д. Дж., И Моран, Д. В. (2006). Интерфейсы, управляемые мозгом: восстановление движений с помощью нейропротезирования. Нейрон 52, 205–220. DOI: 10.1016 / j.neuron.2006.09.019

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шоаран М., Камаль М. Х., Полло К., Вандергейнст П. и Шмид А. (2014). Компактная маломощная кортикальная записывающая архитектура для многоканального сбора сжатых данных. IEEE Trans. Биомед. Circ. Syst. 8, 857–870. DOI: 10.1109 / TBCAS.2014.2304582

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Песня, С., Rooijakkers, M., Harpe, P., Rabotti, C., Mischi, M., Van Roermund, A., et al. (2013). «Телескопический усилитель 430nw 64nv / vhz с повторным использованием тока для приложений нейронной записи», на конференции 2013 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS) , (Роттердам: IEEE), 322–325.

Google Scholar

Сан Ф., Моррелл М. и Уорен Р. Дж. (2008). Адаптивная корковая стимуляция для лечения эпилепсии. Neurotherapeutics 5, 68–74. DOI: 10.1016 / j.nurt.2007.10.069

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Рейн, А. С. М., Пепер, А., и Гримберген, К. А. (1991). Качественная запись биоэлектрических событий. Med. Биол. Англ. Comput. 29, 433–440. DOI: 10.1007 / BF02441666

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Верма, Н., Шуб, А., Бохоркес, Дж., Доусон, Дж., Гуттаг, Дж., И Чандракасан, А. П. (2010). Микроэнергетическая микросхема для регистрации ЭЭГ со встроенным процессором извлечения признаков для системы обнаружения хронических припадков. IEEE J. Solid State Circ. 45, 804–816. DOI: 10.1109 / JSSC.2010.2042245

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сяо, З., Тан, Ч.-М., Догерти, Ч. М., и Баширулла, Р. (2010). «Тег для нейронной записи мощностью 20 мкВт с afe, модулируемым током питания, в 0,13 мкм cmos», в IEEE International Solid-State Circuits Conference, 2010 г. (ISSCC), (IEEE), 122–123.

Google Scholar

Xu, J., Yazicioglu, R.F., Grundlehner, B., Harpe, P., Makinwa, K.А., и Ван Хоф, К. (2011). 8-канальная система активных электродов мощностью 160 мкВт для мониторинга ЭЭГ. IEEE Trans. Биомед. Circ. Syst. 5, 555–567. DOI: 10.1109 / TBCAS.2011.2170985

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Языджиоглу Р. Ф., Ким С., Торфс Т., Ким Х. и Ван Хоф К. (2011). ASIC аналогового сигнального процессора мощностью 30 мкВт для портативного мониторинга биопотенциального сигнала. IEEE J. Solid State Circ. 46, 209–223. DOI: 10.1109 / JSSC.2010.2085930

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Языджиоглу, Р.Ф., Меркен П., Пуэрс Р. и Ван Хоф К. (2008). Восьмиканальная ASIC для регистрации ЭЭГ мощностью 200 мкВт для амбулаторных систем ЭЭГ. IEEE J. Solid State Circ. 43, 3025–3038. DOI: 10.1109 / JSSC.2008.2006462

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цзоу, X., Сюй, X., Yao, L., и Lian, Y. (2009). Полностью интегрированный программируемый чип интерфейса биомедицинского датчика 1-v 450-nw. IEEE J. Solid State Circ. 44, 1067–1077. DOI: 10.1109 / JSSC.2009.2014707

CrossRef Полный текст | Google Scholar

chet_paynter_introduct_6 | Частотная характеристика усилителя | Краткое содержание главы

Вот краткое изложение материала, рассмотренного в этой главе:

Большинство усилителей имеют относительно постоянное усиление в диапазоне или полосе частот.Эта полоса частот обозначается как полоса пропускания цепи. При работе в пределах его полосы пропускания значения и для усилителя рассчитываются, как показано ранее в тексте. Для ясности эти значения упоминаются как значения усиления средней полосы и обозначаются как, и.

АЧХ — это графическое представление взаимосвязи между усилением усилителя и рабочей частотой. Типичная кривая частотной характеристики показана на рисунке 14-1.Эта конкретная кривая иллюстрирует взаимосвязь между усилением мощности и частотой. Как показано на рисунке:

• Коэффициент усиления мощности схемы остается относительно постоянным во всем диапазоне частот средней полосы .
• По мере того, как рабочая частота уменьшается от области средней полосы кривой, достигается точка, в которой коэффициент усиления мощности начинает падать. Частота, при которой усиление мощности составляет 50% от ее среднего значения, называется нижней частотой среза ().
• По мере того, как рабочая частота увеличивается от области средней полосы кривой, достигается точка, в которой коэффициент усиления мощности снова начинает падать.Частота, при которой усиление мощности составляет 50% от ее среднего значения, называется верхней частотой среза ( ).

Обратите внимание, что полоса пропускания схемы определяется как разница между частотами среза. По формуле

Пропускная способность рассчитывается, как показано в Примере 14.1 текста.

РИСУНОК 14-1. Общая кривая частотной характеристики.

Геометрическая центральная частота () усилителя — это среднее геометрическое значение частот среза, которое определяется как

Коэффициент усиления по мощности является максимальным, когда усилитель работает на своей геометрической центральной частоте.При изменении частоты выше (или ниже) коэффициент усиления мощности немного уменьшается. К тому времени, когда достигается одна (или другая) частота среза, коэффициент усиления по мощности упал до половины своего значения в средней полосе.

Взаимосвязь между, и также может быть описана с использованием соотношений частот следующим образом:

Эта взаимосвязь дополнительно проиллюстрирована в Примере 14.3 текста. Это соотношение позволяет нам вычислить значение любой частоты среза, когда известны значения геометрической центральной частоты и второй частоты среза.Используемые отношения:

и

. Эти отношения дополнительно проиллюстрированы в примерах 14.4 и 14.5 текста.

Измерение частот среза

Частоты среза усилителя можно измерить с помощью осциллографа, используя следующую процедуру:

1. Настройте усилитель на максимальный неискаженный выходной сигнал.
2. Определите, что вы работаете в диапазоне средних частот, изменяя частоту входного сигнала на несколько килогерц в обоих направлениях.Если вы находитесь в среднем диапазоне, небольшие изменения рабочей частоты не вызовут каких-либо значительных изменений выходной амплитуды схемы.
3. Если вы не в средней полосе, регулируйте ее до нужного уровня.
4. Отрегулируйте элемент управления калибровкой вольт / деление на осциллографе до тех пор, пока форма выходного сигнала усилителя не заполнит точно семь основных делений (размах).
5. Для измерения значения уменьшите рабочую частоту до тех пор, пока форма выходного сигнала усилителя не заполнит только пять основных делений.На этой частоте амплитуда усилителя упала до максимального значения. Это указывает на то, что мы работаем на более низкой частоте среза.
6. Чтобы измерить значение, увеличивайте рабочую частоту до тех пор, пока то же самое не произойдет на высокочастотном конце. Частота, с которой это происходит.

Обязательно используйте пробник, чтобы минимизировать влияние входной емкости осциллографа на измерения частоты.

Значение 0,707 основано на соотношении между напряжением и мощностью.Мощность меняется с квадратом напряжения. Когда коэффициент усиления по напряжению падает до, коэффициент усиления по мощности уменьшается в два раза (что составляет половину его среднего значения).

Измерения усиления и частоты

Рисунок 14-1 представляет собой упрощенную кривую частотной характеристики. Более практичная кривая показана на рисунке 14-2. На показанной кривой:

• Коэффициент усиления мощности представлен с использованием отношения (на данной частоте) к, выраженного в дБ.
• Значения приращений частоты следуют логарифмической прогрессии ; я.е., каждое приращение является целым числом, кратным предыдущему приращению.

РИСУНОК 14-2 Более практичная кривая частотной характеристики.

Обзор значений дБ и преобразований приведен в сводке главы 8 на этом веб-сайте.

Шкала частот, показанная на рисунке 14-2, представляет собой шкалу декад . Декада — это умножитель частоты, равный 10. Как вы можете видеть, значение каждого приращения на рисунке 14-2 является значением предыдущего приращения.Другая широко используемая шкала частот — это шкала октав . Октава — это умножитель частоты, равный 2. Значение каждого приращения октавной шкалы — это значение предыдущего приращения.

Графики Боде

График Боде представляет собой вариацию на кривой частотной характеристики, показанной на рисунке 14-2. Синяя кривая на рисунке 14-3 представляет собой график Боде. Для сравнения на рисунке представлена ​​кривая АЧХ (красная, пунктирная). График Боде показывает, что изменение усиления мощности () составляет 0 дБ для всех частот между частотами среза.Показано, что за пределами частот среза усиление мощности усилителя падает со скоростью 20 дБ на декаду .

РИСУНОК 14-3 График Боде.

Частотная характеристика усилителя BJT

Частотные характеристики различных схем в этой главе являются функцией содержащихся в них схем RC . Например, базовая схема BJT-усилителя RC-, связанного с делителем напряжения, может быть проиллюстрирована, как показано на рисунке 14-4.

РИСУНОК 14-4

Частота среза для схемы на Рисунке 14-4 возникает, когда. Для любой RC-цепи частота может быть найдена как

. Почти все вычисления частоты среза, представленные в этой главе, включают форму этого отношения.

Низкочастотная характеристика усилителя BJT

Усилитель BJT показан на рисунке 14-5. Каждая схема имеет свою собственную частоту среза, которая рассчитывается с использованием показанного соотношения.Обратите внимание, что вычисляются нижние частоты среза для схем базы (), коллектора () и эмиттера (). Рассчитанная максимальная частота отсечки является общим значением для схемы.

РИСУНОК 14-5. Нижние частоты среза усилителя BJT.

Пример 14.8 текста демонстрирует вычисление. Пример 14.9 демонстрирует расчет. Пример 14.10 демонстрирует расчет.

Спад усиления

Термин скорость спада используется для описания скорости, с которой RC-цепь вызывает уменьшение усиления напряжения усилителя после того, как значение или было пройдено. Низкочастотный спад рассчитывается с использованием

, где f — частота работы. Использование этого отношения продемонстрировано в Примере 14.11 текста.

Уравнение иллюстрирует тот факт, что значения R и C для цепи RC не влияют на скорость, с которой уменьшается усиление напряжения, когда схема работает за пределами ее частоты среза. Уравнение можно использовать, чтобы показать, что каждая цепь RC имеет скорость спада 20 дБ на декаду .Скорость спада на низких частотах 20 дБ на декаду показана на рисунке 14-6.

РИСУНОК 14-6. Скорость спада 20 дБ на декаду.

Уравнение также можно использовать, чтобы показать, что каждая схема RC имеет коэффициент спада 6 дБ на октаву . Скорость спада низких частот 6 дБ на октаву показана на рисунке 14-7.

РИСУНОК 14-7. Скорость спада 6 дБ на октаву.

Когда схема (например, усилитель BJT) содержит более одной схемы RC , эффекты значений складываются.Эта точка проиллюстрирована на рис. 14.12 текста и на графике Боде, показанном на рис. 14-8.

РИСУНОК 14-8 График Боде, показывающий множественные скорости спада.

Высокочастотная характеристика BJT

Высокочастотный эквивалент усилителя BJT показан на рисунке 14-9. Каждая схема имеет свою собственную частоту среза, которая рассчитывается с использованием показанного соотношения. Обратите внимание, что верхние частоты среза для схем базы () и коллектора () вычисляются, а результат наименьшего является общим значением для схемы.

РИСУНОК 14-9 Верхние частоты среза усилителя BJT.

Значение на рисунке 14-9 представляет емкость база-эмиттер транзистора. Это значение обычно указано в спецификации транзистора. Однако значение в спецификации соответствует определенному значению, которое может быть точным для схемы, а может и нет. Более точное значение можно найти, используя

, где это произведение текущего коэффициента усиления на полосу пропускания для транзистора (которое указано в спецификации).

Уравнения на рис. 14-9 содержат переменные и. Эти переменные представляют собой значения емкости Миллера для схемы. Теорема Миллера утверждает, что конденсатор обратной связи (например,) может быть представлен как отдельные значения входной и выходной емкости (что упрощает анализ схемы). Значения емкостей Миллера находятся с использованием соотношений, показанных на рисунке.

Пример 14.14 текста демонстрирует вычисления, необходимые для определения значения для усилителя.Пример 14.15 демонстрирует вычисления, необходимые для определения значения для усилителя.

Теория против практики. Следует отметить, что обычно существует большой процент ошибки между расчетными и измеренными значениями для усилителя BJT. Такой высокий процент ошибок вызван несколькими факторами:

• Значения внутренней емкости BJT являются оценочными.
• Внутренняя емкость BJT находится в диапазоне пФ, как и входная емкость большинства осциллографов.В результате входная емкость осциллографа может иметь большое влияние на измеренные значения и

.

Низкочастотная характеристика усилителя на полевых транзисторах

Усилитель на полевых транзисторах показан на Рисунке 14-10. Обратите внимание, что вычисляются нижние частоты среза для схем затвора () и стока (). Рассчитанная максимальная частота отсечки является общим значением для схемы.

РИСУНОК 14-10 Нижние частоты среза усилителя на полевых транзисторах.

Значение рассчитывается, как показано в Примере 14.17 текста. Значение рассчитывается, как показано в Примере 14.18. Нижняя частота среза схемы источника здесь не рассматривается по нескольким причинам:

• Расчет чрезвычайно сложен.
• Значение обычно намного меньше, чем либо. В результате его величина мало влияет на низкочастотную работу схемы.

Высокочастотная характеристика усилителя на полевых транзисторах

Высокочастотный эквивалент усилителя на полевых транзисторах показан на рисунке 14-11.Обратите внимание, что вычисляются верхние частоты среза для схем затвора () и стока (). Наименьшая вычисленная частота отсечки является общим значением для схемы. Вычисления, необходимые для определения значений и, показаны в Примере 14.20 текста.

РИСУНОК 14-11 Верхние частоты среза усилителя на полевых транзисторах.

Характеристики емкости. Наиболее часто используемые значения емкости JFET перечислены ниже.

• — входная емкость полевого транзистора (затвора).
• — выходная емкость (сток) полевого транзистора.
• — емкость затвор-исток.

При использовании вышеуказанных номиналов межконтактные емкости JFET находятся с использованием следующих соотношений:

Многокаскадные усилители

Частоты отсечки для каскадных усилителей с идентичными значениями и находятся с использованием

и

, где n — количество каскадных ступеней.Как показано в примерах 14.22 и 14.23 текста:

и

Когда определены частоты среза для схемы, ее полоса пропускания определяется по формуле:

После определения общей полосы пропускания строится график Боде для схемы. можно построить, как показано на рисунке 14.31 текста.

Частотная характеристика усилителя на полевых транзисторах

Частотная характеристика усилителя на полевых транзисторах:

Низкочастотная характеристика — Низкочастотная характеристика схем усилителя на полевых транзисторах определяется точно такими же соображениями, как и для схем BJT.Нижняя частота среза обычно устанавливается шунтирующим конденсатором источника, и на нее могут влиять разделительные конденсаторы.

Высокочастотный диапазон:

В отличие от BJT, частота среза устройства обычно не указывается для полевого транзистора. Вместо этого полевые транзисторы, предназначенные для высокочастотной работы, имеют параметры, перечисленные как измеренные на указанной высокой частоте. Также обычно указываются низкочастотные параметры. Например, полевой транзистор 2N5484 имеет следующие параметры:

Межконтактные емкости устройства (C _gs , C _gd и C _ds ) являются важными величинами при определении рабочих характеристик схемы полевого транзистора, и они используются так же, как емкости биполярного транзистора.Можно вычислить частоту среза, ограниченную входной емкостью (f _{2 (i)} ), и частоту среза, ограниченную выходной емкостью (f _{2 (o)} ). Входная емкость усиливается эффектом Миллера в случае схемы CS (инвертирующий усилитель). Уравнение для схемы на полевом транзисторе,

Емкости полевого транзистора определяются как входная емкость (C _iss ), емкость обратной передачи (C _rss ) и выходная емкость (C _oss ).Емкость обратной передачи — это еще одно название емкости затвор-сток. Входная емкость — это сумма емкости затвор-исток и емкости затвор-сток. Выходная емкость — это просто емкость сток-исток.

Типичные значения входной емкости для высокочастотного полевого транзистора 2N5484: C _rss = 1 пФ, C _iss = 5 пФ, C _oss = 2 пФ. Поскольку они очень малы, паразитная емкость может легко повлиять на характеристики схемы.

[Решено] Низкочастотная характеристика RC-связанного усилителя может быть улучшена

Частотные характеристики усилителя можно разделить на три области.

1. Низкая частота

2. Среднечастотный

3. Высокая частота

Низкая частота:

Это ниже средней частоты; Будет показано, что каскад усилителя ведет себя как простая схема верхних частот с постоянной времени τ1. 2}}}} \)

Коэффициент усиления падает из-за того, что конденсаторы связи и байпасные конденсаторы больше не ведут себя как короткое замыкание, и, таким образом, коэффициент усиления становится как функция частоты:

\ (X_c = \ frac {1} {2 \ pi fc} \)

Когда f увеличивается, X _c уменьшается, следовательно, короткое замыкание отсутствует.

Таким образом, для улучшения отклика конденсатор связи и шунтирующий конденсатор должны быть очень высокими.

Где \ ({F_L} = \ frac {1} {{2 \ pi {\ tau _1}}} \) — нижняя частота 3 дБ или частота половинной мощности.

Примечание:

Частота среднего диапазона:

На этой частоте, на которой усиление достаточно постоянное и равно A1, и на которой задержка остается постоянной.

Высокая частота:

Это выше средней полосы частот; каскад усилителя имеет эквивалентную схему ФНЧ с постоянной времени τ2.2}}}} \)

Где \ ({f_H} = \ frac {1} {{2 \ pi {\ tau _2}}} \) — верхняя частота 3 дБ. Полоса пропускания и частотная характеристика ОУ

»Электроника

Полоса пропускания операционного усилителя является ключевым фактором его характеристик и напрямую связана с произведением коэффициента усиления на полосу пропускания.

---

Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение Усиление операционного усилителя Пропускная способность Скорость нарастания операционного усилителя Смещение null Входное сопротивление Выходное сопротивление Понимание спецификаций Как выбрать операционный усилитель Сводка схем операционного усилителя

---

Полоса пропускания любой цепи имеет первостепенное значение, и ее необходимо учитывать в процессе проектирования электронной схемы.

При проектировании электронной схемы будет видно, что полоса пропускания схемы связана с коэффициентом усиления. Слишком большое усиление — низкая полоса пропускания, меньшее усиление и достижимая полоса пропускания намного выше.

Поскольку любой операционный усилитель имеет ограниченную полосу пропускания, необходимо тщательно учитывать коэффициент усиления, полосу пропускания и частотную характеристику на начальном этапе проектирования любой схемы.

Сами операционные усилители при работе в режиме разомкнутого контура имеют очень ограниченную полосу пропускания, прежде чем усиление начнет падать.Однако, используя отрицательную обратную связь, можно использовать огромное усиление усилителя, чтобы обеспечить ровный отклик с достаточной полосой пропускания.

Посмотрите наше видео о частотной характеристике операционного усилителя и продукте для полосы пропускания

Полоса пропускания ОУ

Хотя операционные усилители имеют очень высокое усиление, этот уровень усиления начинает падать на низкой частоте. Точка разомкнутого контура, то есть частота, при которой усиление падает на 3 дБ, часто составляет всего несколько Гц.

Долгоживущий и все еще очень популярный операционный усилитель 741 имеет точку останова без обратной связи около 6 Гц. За пределами этого диапазона отклик падает со скоростью -6 дБ / октаву или -20 дБ / декаду. Примечание: октава — это удвоение частоты, а декада — десятикратное увеличение частоты, и поэтому эти две цифры являются двумя способами выражения одной и той же характеристики.

Типичный график ширины полосы усиления разомкнутого контура операционного усилителя

При правильном подходе при проектировании электронной схемы, плоская полоса пропускания всей схемы, т.е.е. операционный усилитель и дополнительные электронные компоненты можно сделать очень плоскими в требуемой полосе пропускания.

Усиление, полоса пропускания и компенсация операционного усилителя

Одна из основных причин, по которой операционные усилители обычно имеют низкие точки излома, заключается в том, что функция, называемая компенсацией, встроена практически во все операционные усилители.

Эта частотная компенсация используется для обеспечения стабильной работы операционного усилителя при любых условиях эксплуатации. Самые ранние операционные усилители были подвержены нестабильности, и в результате компенсация была введена практически во все конструкции ИС операционных усилителей как нечто само собой разумеющееся.

Типичная ширина полосы пропускания разомкнутого контура операционного усилителя с компенсацией и без нее

Эффект компенсации на полосе пропускания операционного усилителя заключается в уменьшении точки излома. Это означает, что если бы не была включена компенсация, точка останова и полоса пропускания были бы больше, но за счет нестабильности.

Влияние обратной связи на полосу пропускания ОУ

При разработке реальной схемы с использованием операционного усилителя отрицательная обратная связь используется для получения контролируемых уровней усиления. Применение этой обратной связи позволяет обменять очень высокий выигрыш на пропускную способность.

Таким образом, можно получить очень ровные кривые частотной характеристики в пределах требуемой полосы пропускания.

Коэффициент усиления и частотная характеристика ОУ с обратной связью.

Произведение на ширину полосы коэффициента усиления операционного усилителя

При проектировании схемы операционного усилителя важно значение, известное как произведение коэффициента усиления на полосу пропускания операционного усилителя.

Произведение коэффициента усиления операционного усилителя на полосу пропускания обычно указывается для конкретного типа операционного усилителя, конфигурации разомкнутого контура и загруженного выхода:

Где:
GBP = произведение коэффициента усиления операционного усилителя на полосу пропускания
Av = коэффициент усиления по напряжению
f = частота среза (Гц)

Произведение коэффициента усиления на полосу пропускания операционного усилителя является постоянным для усилителей с обратной связью по напряжению.Однако это не применимо для усилителей с обратной связью по току, поскольку соотношение между усилением и полосой пропускания не является линейным.

Следовательно, уменьшение коэффициента усиления в десять раз увеличит пропускную способность в тот же раз.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Возврат в меню проектирования схем.. .

Улучшение низкочастотной характеристики

Автор: Н. Х. Кроухерст

Теперь, когда мы знаем действие основных компонентов, мы можем увидеть, что произойдет, изменив их значения. Во-первых, рассмотрим влияние замены пластинчатого резистора связи. В случае триодной лампы сопротивление пластины находится между пластиной и землей, а резистор связи пластины находится между пластиной и B +.Источник питания B + всегда будет иметь очень большой конденсатор, соединяющий высокое напряжение с землей, поэтому напряжение B + не может изменяться относительно земли. Любые аудиотоки, достигающие точки B +, будут отводиться на землю через большую выходную емкость в источнике питания B +.

Точки заземления переменного тока или нулевого потенциала

В случае триодной лампы резистор связи обычно больше, чем сопротивление пластины лампы, потому что сопротивление переменного тока триода намного ниже, чем его сопротивление постоянного тока.Пластинчатый резистор связи будет примерно равен сопротивлению лампы постоянного тока, так что примерно половина напряжения B + падает на резисторе связи, а половина — на лампе.

Улучшение низкочастотной характеристики усилителя

Улучшение низкочастотной характеристики требует использования либо конденсатора связи большего размера, либо большего сопротивления в соответствующей цепи. Когда предыдущая лампа является триодом, увеличение резистора связи не приведет к эффективному увеличению сопротивления звуковых напряжений от пластины к земле, поскольку это сопротивление ограничено сопротивлением пластины лампы.Единственная возможность значительно увеличить сопротивление, связанное с конденсатором связи, — это увеличить резистор сетки следующего каскада. В качестве альтернативы можно увеличить емкость конденсатора связи.

Улучшение высокочастотной характеристики

Для высокочастотных сигналов конденсатор связи фактически является коротким замыканием — на нем не возникает звукового напряжения, и обе стороны конденсатора находятся под одинаковым звуковым напряжением в любой момент.Это означает, что теперь у нас есть три эффективных пути сопротивления к земле от пластины лампы: через сопротивление пластины, через резистор связи и через резистор сетки следующего каскада.

Улучшение высокочастотной характеристики может быть достигнуто за счет уменьшения малых емкостей относительно земли или уменьшения общего сопротивления цепи относительно земли.