Електромагнітний підсилювач напруги

1. Електромагнітний підсилювач напруги, що містить два операційні підсилювачі, вхід першого з 3 87027 4 гляд: підсилювач струму. З метою досягнення значного коефіцієнта під(DUc+Uш)КU=Uo (2) силення сигналів і поглинання шумів поза полосою Підсилювач повинен виконувати функцію не корисних сигналів використовуються селективні тільки підсилення сигналів, а і виділення їх на фоні підсилювачі. Селективні властивості таких підсишумів. Тому амплітуда порогового сигналу DUc лювачів звичайно забезпечуються використовуповинна перевищувати амплітуду і дисперсію амванням в них різноманітних резонансних систем. плітуди шумів Uш: Найчастіше для цього використовуються поодинокі (3) DUc³Uш або зв’язані коливальні контури, а також фільтри Крім того електронні підсилювачі напруги мазосередженої селекції. Найбільш розповсюджениють властивість температурного і часового дрейми є селективні підсилювачі високої частоти, власфу нуля і коефіцієнта підсилення КU. Тому поріг тивістю яких є те, що форма резонансної характечутливості DUc ще підвищується (DUc>Uш). ристики і селективність в них визначаються Одним з шляхів досягнення високої чутливості резонансною системою. Тому схема підсилювача вимірювальних пристроїв є максимальне зниження істотно не впливає на властивості останньої. Такі рівня шуму способом охолодження підсилюючих підсилювачі широко використовуються в радіоприсхем до температури рідкого азоту. Якщо спосіб ймальних пристроях і описані в радіотехнічній ліохолодження прийнятний для техніки спеціального тературі [Радиоприемные схемы на полупроводпризначення, то він неприйнятний в техніці широниковых приборах. Под ред. Валитова Р.А. и кого застосування. Другий відомий спосіб зниженКуликовского А.А.: «Сов.радио». - 1968. - 384с.]. ня власних шумів підсилювачів полягає в застосуЗастосування селективних підсилювачів ефекванні низькошумлячих транзисторів. Всі відомі тивно в високочастотній області, в якій полосові способи досягнення високої чутливості вимірюфільтри будуються на основі оптимальних вання аналогових сигналів обмежуються вдоскозв’язаних коливальних контурів або фільтрів сконналенням схем підсилювачів сигналів. центрованої селекції. В низькочастотній області в Найчастіше для досягнення високої чутливості селективних підсилювачах використовуються акпідсилення сигналів в схемах підсилювачів викотивні RC-фільтри, яким властивий високий рівень ристовуються різноманітні фільтри завад і шумів. власних шумів, що обмежують мінімальний робоНаприклад, відомий підсилювач напруги, який з чий сигнал, а низькочастотні резонансні LCметою зменшення завад складається з двох парасистеми мають значні габарити і низьку якість, в лельних каналів: один - підсилювача з широтнорезультаті чого вони практично не знаходять шиімпульсною модуляцією, вихід якого з’єднаний з рокого використання. входом індуктивного вихідного фільтру, а другий Найбільший рівень теплових шумів мають налінійного підсилювача, вихід якого підключений до півпровідникові електронні системи в інфрачастовиходу фільтра і є виходом підсилювача напруги. тному діапазоні, де селективні підсилювачі прак[Патент 2023450, РФ. кл. Н03Р3/27. Усилитель тично не використовуються в зв’язку з мощности //Соколов Э.Г. Опубл.30. 10.94, Бюл. неможливістю побудови полосових фільтрів з оп№20]. Загальними ознаками цього підсилювача тимальними геометричними і фізичним параметнапруги з тим, що заявляється, є те що він складарами в цьому діапазоні частот. ється з двох підсилювачів, вихід одного з яких є Для максимального поглинання шумів поза виходом пристрою. полосою корисних сигналів в деяких схемах підсиПричиною, що заважає досягненню поставлелювачів використовуються кілька полосових фільної мети є те, що такий підсилювач не знижує рітрів. Наприклад, в широкополосному підсилювачі вень шумів. Якщо в першому, паралельному, ка[А.С. 1679601.СССР, кл. H03F1/42. Широкополосналі з Ш І М - підсилювачем шуми поглинаються ный усилитель /Э.П. Абрамин, Ю.М. Брук и др. фільтром, то в каналі з лінійним підсилювачем Опубл.23.09.91. Бюл. №35] необхідна полоса зашуми підвищуються пропорційно його коефіцієнту безпечується багатополюсним принципом побудопідсилення. ви широкополосного підсилювача за рахунок виЩе один підсилювач напруги складається з бору необхідним способом полосових фільтрів і двох протифазних підсилювачів і LC фільтра, один кількості підсилювачів. А кожний канал складаєтьвхідний вивід якого підключений до вихідного вися з послідовно з’єднаних вхідного полосового воду одного з протифазних підсилювачів, другий фільтра, підсилювача сигналів і вихідного полосодо вихідного виводу другого з них, а обидва вихідвого фільтра, входи вхідних полосових фільтрів ні виводи фільтра є вихідними виводами мостовооб’єднані і є входом широкополосного підсилюваго підсилювача [Патент 10578, Україна, кл. ча, а об’єднані виходи вихідних полосових фільтH03F3/27. Мостовий підсилювач потужності: рів є виходом широкополосного підсилювача. Та/Голуб B.C. Опубл. 15.11.2005. Бюл. №11]. кий підсилювач має мінімальний рівень шумів, які Загальними ознаками цього мостового підсипоглинаються фільтрами, але він не виключає лювача з тим, що пропонується, є склад пристрою, дрейф нуля і коефіцієнта підсилення. Крім того до якого входять два підсилювачі вхід одного з недоліком цього аналога є значні габарити підсияких є входом підсилювача напруги. лювача і незначна навантажена здатність. Для Причиною, що заважає досягненню поставлепрактичного використання на його виході необхідної мети є те, що такий підсилювач виконує функно включати об’єднувальну схему і підсилювач цію поглинання завад, але рівень шумів не знижує. струму. Крім того він має незначну навантажену здатність. Найбільш поширені схеми селективних підсиВ практичному застосуванні на виході цього мослювачів сигналів складаються з двох операційних тового підсилювача необхідно використовувати 5 87027 6 підсилювачів і включеного між ними одного полоно сполученому з оптимальним трансформатором сового фільтру. Такий селективний підсилювач, напруги, використовується явище енергетичного який описаний в літературі [И.Р. Мигулин, М.З. резонансу і який за ефективністю перевищує меЧаповский. Интегральные микросхемы в радиоэханічні і LC-фільтри, що використовуються в елеклектронных устройствах. -К.: - «Техніка». - 1985. троакустиці. 283с. (рис.8.1)], по технічній сутності найбільш Ознаками, якими пропонований електромагніблизький до підсилювача, що заявляється, і вибтний підсилювач напруги відрізняється від протораний нами як прототип. типу, є використання в ньому, оптимального Підсилювач-прототип складається з першого трансформатора напруги з індуктивно сполученим операційного підсилювача 1, зв’язаного з його виз ним металевим об’ємним резонатором, первинна ходом полосового фільтра 2, утвореного індуктивобмотка трансформатора підключена до виходу ністю 3 і ємністю 4, і з’єднаного з виходом фільтра першого операційного підсилювача і до його інвердругого операційного підсилювача 5, причому вхід туючого входу, а вторинна обмотка трансформапершого операційного підсилювача є входом, а тора з’єднана з неінвертуючим входом другого вихід другого операційного підсилювача - виходом операційного підсилювача, інвертуючий вхід якого селективного підсилювача напруги. з’єднаний з його виходом. Металевий об’ємний Загальними ознаками підсилювача-прототипу і резонатор може бути виконаний у вигляді високощо пропонується, є наявність в їх складі двох опепровідного короткозамкненого витка. раційних підсилювачів, а також те, що вхід першоВикористання цих ознак в підсилювачі, що го підсилювача є входом, а вихід другого підсилюпропонується, дозволяє знизити приведений до вача - виходом підсилювача напруги. його входу рівень шумів на кілька порядків порівПричиною, яка заважає досягненню сподіваноняно з напівпровідниковими підсилювачами напруго технічного результату є те, що в підсилювачіги, практично виключити температурний і часовий прототипі функції підсилення напруги виконують дрейфи нуля і коефіцієнта підсилення, за рахунок електронні підсилювачі, а полосовий фільтр викоцього підвищити його чутливість на кілька поряднує функцію поглинання шумів і сигналів поза поків, що забезпечить виділення корисних сигналів лосою частот корисних сигналів і виділення кориснапругою нижче рівня теплових шумів. них сигналів в необхідній полосі частот. Однак, В підсилювачі напруги, що пропонується, фунякщо підсилені шуми першого підсилювача погликції підсилення напруги покладені на оптимальний наються полосовим фільтром, то шуми другого трансформатор напруги, а функції підсилення підсилювача їм генеруються і підсилюються в усій струму - на операційні підсилювачі, які включені по полосі частот. Таким чином, подавлені полосовим схемі повторювача напруги (буфер). В електромафільтром шуми першого підсилювача знову генегнітному полі оптимального трансформатора наруються, підсилюються і з’являються підсиленими пруги розташований металевий об’ємний резонана виході підсилювача напруги. тор електромагнітної резонансної системи В основу винаходу поставлена задача створимагнетик-провідник. Металевий об’ємний резонати такий підсилювач напруги, в якому приведений тор може бути виконаний у вигляді короткозамкнедо входу рівень шуму був би на кілька порядків ного витка з високопровідного металу. нижче, ніж в напівпровідникових електронних підВ протиріччя існуючому твердженню, що елексилювачах, в якому відсутні температурний і часотричне поле в середині металу відсутнє, а перевий дрейфи нуля і коефіцієнта підсилення, який творення магнітного поля магнетика в електричне можна використовувати для підсилення низькочаполе в провіднику неможливе, доказано, що енерстотних і інфрачастотних сигналів, в зв’язку з чим гія магнітного поля магнетика перетворюється без підвищити чутливість підсилювача напруги на кільзалишку в енергію електричного поля провідника ка порядків, що забезпечить виділення корисних на частоті енергетичного резонансу. Добротність сигналів, амплітуда яких нижче рівня теплового такого перетворювача дорівнює кільком десяткошуму. вим порядкам і тому він практично є ідеальним Поставлена задача вирішується в результаті полосовим фільтром. Його частотна полоса витого, що електромагнітний підсилювач напруги значається геометричними параметрами металескладається з двох операційних підсилювачів і вого об’ємного резонатора. Його використання в включеного між ними оптимального трансформапідсилюючих пристроях забезпечує виділення сигтора напруги з індуктивно сполученим з ним метаналів, амплітуда яких нижче рівня теплового шуму. левим об’ємним резонатором, первинна обмотка Використання оптимального трансформатора натрансформатора підключена до виходу першого пруги з індуктивно сполученим з ним металевим операційного підсилювача і до його інвертуючого об’ємним резонатором дозволило функції підсивходу, вторинна обмотка трансформатора лення напруги покласти на оптимальний трансфоз’єднана з неінвертуючим входом другого операрматор напруги, а операційні підсилювачі викорисційного підсилювача, інвертуючий вхід якого тати як буферний елемент з одиничним з’єднаний з його виходом, який є виходом електкоефіцієнтом підсилення напруги. В такому підсиромагнітного підсилювача напруги, входом якого є лювачі напруга теплових шумів не підсилюється і неінвертуючий вхід першого операційного підсина його виході дорівнює табличному параметру лювача. шуму операційного підсилювача на рівні Металевий об’ємний резонатор може бути ви10-9-10-9В/ Гц , а температурний і часовий дрейконаний у вигляді високопровідного короткозамкфи нуля і коефіцієнта підсилення відсутні. неного витка. На Фіг.1 наведена схема підсилювача - протоВ металевому об’ємному резонаторі, індуктив 7 87027 8 -12 -11 типу. 10 -10 В/ Гц , що на три десяткових порядки На Фіг.2 наведена схема електромагнітного нижче приведеного до входу шуму напівпровіднипідсилювача напруги, що пропонується. кових операційних підсилювачів. Крім того оптиЕлектромагнітний підсилювач напруги, що мальному трансформатору не притаманні темпепропонується, складається з першого 1 і другого 2 ратурний и часовий дрейфи коефіцієнта операційних підсилювачів і включеного між ними трансформації. Тому в електромагнітному підсиоптимального трансформатора напруги 3 з індуклювачі напруги, що пропонується, відсутні темпетивно сполученим з ним металевим об’ємним рературний і часовий дрейфи нуля і коефіцієнта підзонатором 4, первинна обмотка 5 оптимального силення. трансформатора підключена до виходу першого Основним елементом підсилення напруги сигопераційного підсилювача 1 і до його інвертуючого налів і поглинання шумів електромагнітного підсивходу, неінвертуючий його вхід є входом електролювача напруги є оптимальний трансформатор магнітного підсилювача напруги, вторинна обмотнапруги з індуктивно сполученим з ним металевим ка 6 трансформатора 3 з’єднана з неінвертуючим об’ємним резонатором. Зміна магнітного поля входом другого операційного підсилювача 2, інефективно перетворюється в металевому вертуючий вхід якого з’єднаний з його виходом, об’ємному резонаторі в енергію електричного поякий є виходом електромагнітного підсилювача ля, що генерує коливальний процес, аналогічний напруги. Металевий об’ємний резонатор може збудженню RLC-контуру. Принципово різниця кобути виконаний у вигляді короткозамкненого витка ливань в RLC-контурі і в металевому об’ємному з високопровідного металу. резонаторі полягає в тому, що з-за великої питоЕлектромагнітний підсилювач напруги, що мої густини електричної енергії в товщі металу пропонується, працює таким чином. габаритні параметри металевого об’ємного резоПідсилення електричних сигналів надзвичайно натора на кілька порядків менше аналогічних панизької інтенсивності грунтується на генеруванні раметрів RLC-контуру тієї ж частоти власних колие.р.с. в результаті підсилення потужності сигналу: вань. Крім того, для збудження немає потреби по струму - напівпровідниковими операційними його безпосереднього підключення в коло струму, підсилювачами, а по напрузі - оптимальним тому що коливання збуджуються електромагніттрансформатором напруги з великим коефіцієнтом ним полем. Контури металевих об’ємних резонатрансформації, що передає посилений гармонічторів по відношенню до RLC-контурів мають такі ж ний сигнал синфазно, і не вносить фазових і інших самі переваги, як і транзистори перед електроспотворень. Поступаючий на вхід підсилювача нними лампами, а саме мініатюризація і невеликі напруги сигнал без спотворень з одиничним коеенергетичні затрати на модуляцію параметрів. В фіцієнтом підсилення передається на вихід перконтурі металевого об’ємного резонатора об’єм шого операційного підсилювача 1 і на вхід оптиметала визначає частоту його власних коливань. В мального трансформатора напруги 3. Високий оптимальному трансформаторі напруги з індуктивхідний опір операційного підсилювача дозволяє вно сполученим з ним металевим об’ємним резойого підключення до будь-якого джерела сигналу. натором частоту його власних коливань визначаДо низькоопірного виходу операційного підсилюють габаритні параметри короткозамкненого витка вача можна безпосередньо підключати обмотки (довжина, ширина і товщина). Розрахунок частоти трансформатора. В трансформаторі з індуктивно власних коливань металевого об’ємного резонасполученим з ним металевим об’ємним резонатотора наведений в статті "Прямое цифровое прером 4 корисний сигнал необхідної полоси частот образование физических величин” /Бех А.Д., Черпідсилюється по напрузі, а сигнали і шуми поза нецкий В.В. - УсиМ, - 1994. - с.3-10. цією полосою поглинаються металевим об’ємним Електромагнітний підсилювач напруги, що резонатором. Підсилені по напрузі корисні сигнали пропонується, можна використати для підсилення через другий операційний підсилювач 2 в функції наднизьких сигналів в низькочастотній і інфрачасповторювача напруги поступають на вихід підситотній областях. лювача напруги. Таким чином напруга корисних Для виготовлення такого підсилювача викорисигналів підсилюється в КU раз, де КU - коефіцієнт стовуються вітчизняні та імпортні мікросхеми опепідсилення напруги трансформатора, а рівень шураційних підсилювачів, а оптимальні трансформамів Uш.вих. дорівнює шуму вихідного операційного тори з високопровідним короткозамкненим витком підсилювача 2 з одиничним коефіцієнтом підсимонтуються на стандартних броньованих феритолення. Приведений до входу рівень шумів в КU раз вих осердях. менше шуму на виході підсилювача напруги. Якщо Електромагнітний підсилювач напруги, що рівень шумів на виході підсилювача напруги доріпропонується, як видно з опису винаходу, може внює табличному параметру шуму операційного бути реалізований в виробничих умовах, тому що підсилювача, то на його вході він дорівнює 3 в ньому використовуються деталі та вузли широUш.вих./КU. При коефіцієнті трансформації 10 прикого використання. ведений до входу рівень шумів дорівнює 9 Комп’ютерна верстка Литвиненко Л. 87027 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601