книги из ГПНТБ / Полонников Д.Е. Электронные усилители автоматических компенсаторов
.pdf228 |
ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА |
ВЫСОКОЧУВСТВИТ. УСИЛИТЕЛЕЙ |
[гл. VI |
|||||||
Еш— э. д. с. шума, |
приведенная ко входу, ZB— входное |
со |
||||||||
противление усилителя, |
Ко — коэффициент |
усиления |
усили |
|||||||
|
|
|
теля, |
р — коэффициент |
об |
|||||
|
|
|
ратной |
связи. |
|
|
|
|
||
|
|
|
Из (6.53) и (6.54) по |
|||||||
|
|
|
лучаем |
то |
же |
отношение |
||||
|
|
|
сигнала к шуму т)ш, что и |
|||||||
|
|
|
без обратной |
связи, |
т. |
е. |
||||
|
|
|
|
’Пш= |
£с |
Z"-. |
(6.55) |
|||
|
|
|
|
~ г- |
||||||
|
|
|
|
|
|
*-мп |
|
|
|
|
Р и с. |
9 4 . Усилитель |
с обратной Однако |
в ряде частных слу- |
|||||||
|
связыо. |
|
чаев |
обратная |
связь |
изме |
||||
няет чувствительность вслед-, ствие изменения входного сопротивления, и входной постоян
ной |
времени. |
Рассмотрим |
два примера. |
|
1. Пусть |
обратная связь вводится, как показано на |
|
рис. |
95, и |
входной ток |
/в; изменяется очень медленно, |
так |
что |
|
Я |
|
|
|
|
Можно показать, что актив ная составляющая входного сопротивления выражается следующим образом:
Re(ZBX) =
R |
(6.56) |
( 1 +Ко9г+ ( “ЯС) |
|
Iqx Яа
г ~ |
f>ueУХ |
Uex - -с > |
|
1------- |
L |
Рис. 95. Отрицательная обратная связь, ухудшающая отношение сиг нала к шуму.
Напряжение термо-шумов на выходе |
|
||||||
£/. / |
4kT \ |
|
KIRdf |
K o V k T |
(6.57) |
||
(1+КоР)2+ (“ЯС)3 |
]Z(l+KoP)C |
||||||
о |
|
||||||
Выходное |
напряжение |
сигнала |
|
|
|||
|
|
UC= I, |
Ко |
(6.58) |
|||
|
|
Я |
|
||||
откуда |
|
|
вх 4 1 + /Сор |
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Е |
^ - г |
п л Г |
с |
(6.59) |
|
|
|
иш~~1вх* V |
kT (l+Ko?) |
|
|||
|
|
__ |
1 Г КГ( 1 |
-ф-КоЙ |
(6.60) |
||
|
|
х |
R |
У |
С |
||
|
|
|
|||||
§ 20]. ПРИМЕНЕНИЕ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ 2 2 9
Следовательно, в этом случае обратная связь ухудшает
чувствительность |
в |
|
|
раз. |
Это |
объясняется |
тем, |
||||
что |
шумы |
уменьшаются |
в |
] / 1 |
-(- /<о[3 |
раз, |
но одновре |
||||
менно в 1 |
-]- |
раз уменьшается |
входное сопротивление, |
||||||||
т. е. входное напряжение. |
Входная |
постоянная |
времени |
при |
|||||||
этом |
уменьшается |
также |
в |
1 -|- |
|
раз. |
|
|
|
||
2. Для |
схемы рис. 96 получается обратная картина: |
|
|||||||||
|
|
Re (ZBX) = |
|
|
|
|
> |
|
|
||
|
|
U ш --------- ^ 0 |
у |
Q |
] _ L |
/ у о В ) |
’ |
|
^ в х |
|
|
При |
этом |
порог чувствительности |
равен |
|
|
|
|||||
|
|
|
г |
__л Г |
|
ьт |
|
|
|
(6.61) |
|
|
|
|
вх— R |
У |
С (1 |
ДГоР) ’ |
|||||
|
|
|
|
|
|||||||
т. е. предельная чувствительность повышается в \ f l-f-Z^oP раз, входная постоянная времени и сопротивление увеличиваются
в1 —|—/СоР раз, а шум умень
шается в Т Л +tfoP раз. Таким образом, с по
мощью отрицательной об-
Рис. 96. Отрицательная обратная |
Рис. 97. Катодный повторитель на |
связь, улучшающая отношение |
пентоде с двойной экранировкой, |
сигнала к шуму. |
уменьшающей входную емкость. |
ратной связи за счет изменения входной постоянной времени и входного сопротивления может быть изменена величина пре дельной чувствительности.
Выше было показано, что как в случае входного устройства с контактным преобразователем, так и дина мическим конденсатором требуется обеспечить минимальную
230 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОЧУВСТВИТ. УСИЛИТЕЛЕЙ [гл. VI
входную емкость усилителя. Как известно, с помощью отрицательной обратной связи легко уменьшить емкость,
включенную |
между |
сеткой |
и катодом |
входной |
лампы |
в |
|||||||||
|
|
|
|
|
1 —(—/ГоР раз. |
|
Например, в схе |
||||||||
|
|
|
|
|
ме |
рис. |
97 |
|
|
при |
тщательной |
||||
|
|
|
|
|
экранировке |
|
удается |
получить |
|||||||
|
|
|
|
|
входную |
|
емкость |
|
0 , 0 2 пф, |
||||||
|
|
|
|
|
R sy. = |
2 • 10й ом. |
Однако |
с |
|||||||
|
|
|
|
|
помощью такой обратной |
связи |
|||||||||
|
|
|
|
|
нельзя изменить емкость, ко |
||||||||||
|
|
|
|
|
торая не охватывается обратной |
||||||||||
|
|
|
|
|
связью. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Для |
компенсации |
входной |
|||||||
|
|
|
|
|
емкости |
и вообще любой вход |
|||||||||
|
|
|
|
|
ной |
проводимости |
можно |
ис |
|||||||
|
|
|
|
|
пользовать |
[25] комбинирован |
|||||||||
|
|
|
|
|
но положительную и от |
||||||||||
|
|
|
|
|
рицательную |
|
обратные |
связи |
|||||||
|
|
|
|
|
(рис. |
98, |
а). Часть выходного |
||||||||
Рис. 98. Применение комбини |
напряжения |
|
В = п ---- ^°пс |
. |
г> |
||||||||||
подается |
на |
'\о.с~ г |
“г ''а |
||||||||||||
рованной обратной |
связи |
для |
вход |
усилителя |
|||||||||||
компенсации |
входной |
проводи |
как |
|
отрицательная |
обратная |
|||||||||
мости (а). Усилитель с разомкну |
связь |
и |
большая |
часть |
f = |
||||||||||
той компенсирующей |
обратной |
||||||||||||||
связью (б). |
|
|
|
|
7?о.с + |
|
|
/?* — как |
поло- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
Яо. |
|
■/?! + |
||||||||
жительная. Определим входной ток |
|
Решая систему |
урав- |
||||||||||||
нений |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/в — /а — Д, |
А — - |
|
|
|
|
|
|
|
(6.62) |
||||||
|
T^HUXт |
£с |
и |
|
|
ЕсКо |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
л = |
|
|
|
|
|
1+/С.Р |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
относительно 7В, |
получаем: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
7?, |
1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
.и ■ |
1 |
1 |
7?0.с |
/Сор |
|
\ |
|
(6.63) |
|||||
|
|
|
Л |
Z, |
^ |
и |
|
1 |
|
|
/ |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
§ 20] ПРИМЕНЕНИЕ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ 231
Приравнивая /в нулю, находим условия компенсации входной
проводимости |
- у1 - |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 :» |
|
Ri |
1 |
1 |
|
(6.64) |
|
|
I Ro.c |
/СоР |
1 + Т^а |
|
|||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
/\оР |
|
|
Выбирая |
Д"ор^>1, |
получаем: |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
R 1 |
|
|
(6.65) |
|
|
|
|
|
Ro.c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отсюда |
видно, |
что для |
компенсации входной |
проводимости, |
||||
т. е. увеличения ZBX до бесконечности, необходимо, чтобы ZK |
||||||||
имело тот же |
аргумент, |
что |
и ZB, |
|
X |
X |
||
т. е. чтобы -тг = |
- г г . |
|||||||
Если мы компенсируем входную емкость, то |
*чс |
■‘'в |
||||||
в качестве ZK |
||||||||
необходимо также |
выбрать емкость, |
причем Ск— Св ■^ 'с-. |
||||||
Условие компенсации при большом практически не зависит от параметров усилителя, поэтому, если элементы схемы Ск, R0'<. и стабильны, компенсация оказывается весьма устойчивой.
Рассмотрим вопрос устойчивости схемы рис. 98, а при компенсации входной проводимости. Будем считать усили тель безынерционным. Если на вход усилителя включен
источник |
сигнала с |
внутренним |
сопротивлением ZBB, |
то |
||||||
передаточная функция |
системы |
по |
цепи обратной связи |
|||||||
(рис. 98, |
б) |
определяется |
выражением |
|
|
|||||
|
F(p): |
U°-(P) |
|
а д |
а |
н |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
и 1 |
(р) |
|
ZBZBH4 |
" а д „ 4“ ^вп^-к |
|
||||
|
|
|
|
|
||||||
Подставляя |
значение |
ZK из |
(6.65), |
получаем: |
|
|||||
|
|
F (P): |
|
|
|
+ 2 ГВ |
( 6. 66) |
|||
|
|
|
|
|
|
/ ? 1 |
Rг |
|
||
|
|
|
|
|
|
1+ Ro.c! |
1 в |
Ro-z |
|
|
Если |
Z„ |
и ZB имеют |
одинаковый |
знак аргумента, |
то |
|||||
всегда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z BB(i- |
Ri |
|
Ro.c |
||
|
< ZBB(l+ ^‘J+Zn
2 3 2 ВХОДНЫЕ |
УСТРОЙСТВА ВЫСОКОЧУВСТВНТ. УСИЛИТЕЛЕЙ [ г л . |
VI |
и |
|
|
|
\F(P)\<1- |
|
Следовательно, |
в этом случае система абсолютно устойчива |
|
и подходит к |
границе устойчивости только при | Zm | -> |
со, |
т. е. при размыкании входа. Если аргументы ZBI1 и Zn имеют разные знаки, устойчивость системы зависит от конкретного
|
соотношения |
параметров |
|||||
|
схемы. В случае компен |
||||||
|
сации |
входной |
емкости |
||||
|
при |
датчике |
сигнала, |
||||
|
имеющего |
внутреннее со |
|||||
|
противление чисто |
актив |
|||||
|
ное или с емкостной со |
||||||
|
ставляющей, система аб |
||||||
|
солютно устойчива. |
|
|
||||
|
На основании |
(6.63) |
|||||
|
можно показать, что при |
||||||
б) |
С |
R |
|
|
|
|
|
-гг- < |
-р*- входная ем- |
||||||
|
кость |
становится |
отри- |
||||
|
нательной. При этом си |
||||||
|
стема |
остается |
устойчи |
||||
Рис. 99. К определению условий ком |
вой, |
пока |
активная |
со |
|||
пенсации ZBX усилителя с обратной |
ставляющая проводимости |
||||||
связью (а). Компенсация ZBXкомплекс |
на входе с |
учетом |
шун |
||||
ной цепью обратной связи (б). |
тирующего |
действия |
ZBH |
||||
|
остается |
больше |
нуля. |
||||
Автором был построен и испытан усилитель с контактным вибропреобразователем, основанный на рассмотренном прин
ципе. При этом удалось повысить входное |
сопротивление |
усилителя с 2 • 109ом без обратной связи |
до 5 • 1011 ом |
при включении компенсирующей обратной связи. Дальнейшее повышение входного сопротивления не имело практи ческого смысла, так как его величина оказалась весьма не стабильной.
Рассмотренный метод применим также в случае входного устройства с динамическим конденсатором, при этом удается значительно уменьшить постоянную времени устройства.
Существует другой метод |
компенсации |
входной емко |
сти с помощью обратной |
связи (см. |
I.. Pelchowitch, |
§ 20], |
ПРИМЕНЕНИЕ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ |
2 3 3 |
J.J.Zaalberg,VanZelst [55]), который также применим к входному устройству с динамическим конденсатором. Выходное на пряжение в усилителе с обратной связью (рис. 99, а) может быть представлено следующим образом:
и» |
R ZJ< 0 |
|
(6.67) |
|
|
||
1 + - Ф - + К# |
|
||
Если выбрать |
•^вх |
|
|
|
|
|
|
! * „ Р 1 > |
|
|
|
то |
|
|
|
и„ |
Р |
|
( 6.68) |
|
|
|
|
Выберем в качестве Zt параллельную |
цепочку из емкости Сх |
||
и активного сопротивления R b а для обратной |
связи — |
||
Усили- |
|
Демоду- |
|
тель |
|
1 |
|
перемен- |
|
лятор |
|
ш о тока
£
Рис. 100. Компенсация средней входной емкости в усилителе с динамическим конденсатором.
интегрирующую цепочку R С^, как показано на рис. 99, б, тогда
Z __Ri (1 у1д/?рСр)
Р1 -)- uiRyCi
При |
R iCl = |
R?C? |
7/вых = IBRi, |
т. е. |
входная |
цепь |
стано |
||||||
вится безынерционной. Важным достоинством |
такого |
метода |
|||||||||||
является |
независимость |
условий |
компенсации |
|
от |
величины |
|||||||
и |
характера |
входного |
сопротивления |
ZBX |
(если |
|
только |
||||||
1 |
* о Р | > - |
ф — ). |
Схема |
применима при использовании дина- |
|||||||||
^ВХ |
! |
|
|
В качестве |
элементов |
обратной |
|||||||
мического |
конденсатора. |
||||||||||||
связи |
Rp |
и |
С„ |
в |
этом |
случае |
может быть |
использован |
|||||
2 3 4 |
ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА |
ВЫСОКОМУВСТВИТ. |
УСИЛИТЕЛЕЙ [ г л . |
VI |
фильтр, стоящий после |
демодулятора, |
как показано |
на |
|
рис. |
1 0 0 . |
|
|
|
Такой метод позволяет обеспечить почти безынерционное изменение малых токов даже при очень высоких входных сопротивлениях порядка 1011 ом и . выше. Теоретический порог чувствительности обусловливается главным образом тепловыми шумами в R y
(6.69)
Некоторым недостатком схемы рис. 100 является большой уровень пульсаций на выходе усилителя, т. е. демодулятора.
Помимо увеличения входного сопротивления и улучшения динамических свойств, обратная связь может быть исполь-
Рис. 101. Простейшая схема периоди ческой компенсации дрейфа нуля.
зована для периодической компенсации дрейфа нуля. Идея компенсации дрейфа нуля была предложена в 1947 г. Принцем (см. D. G. Prinz [56]), которому удалось снизить дрейф в усилителе постоянного тока на обычных (неэлектро метрических) лампах до 1 мв.
Простейшая схема автоматической компенсации может быть построена, как показано на рис. 101. Реле (Р) под действием импульсов генератора (ГИ) периодически сраба тывает, и его контакты (Ра, Рб) переключаются из положе ния 2 в положение 1. В положении 1 усилитель постоян ного тока с коэффициентом передачи /<"0 охватывается глу бокой отрицательной обратной связью, а конденсатор Су подключается параллельновыходу усилителя. При наличии на входе сдвига пуля (£/сд) конденсатор Су заряжается до
напряжения £/сд ( 1 -----l R ) ‘
§ 2 0 ] |
ПРИМЕНЕНИЕ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ |
2 3 5 |
Если |
предположить, что саморазряд |
конденсатора |
и изменение сдвига нуля пренебрежимо малы за интервал
времени |
между |
импульсами генератора |
и что сами |
контакты |
|||||
не вносят паразитного |
сигнала, |
то |
выходное |
напряжение |
|||||
в положении контактов |
2 |
определится |
следующим |
образом: |
|||||
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
(6-70) |
откуда видно, |
что |
сдвиг |
нуля |
неограниченно |
уменьшается |
||||
С РОСТОМ |
Kfs. |
теоретически может |
быть сведен |
к нулю |
|||||
Сдвиг |
нуля |
||||||||
даже при |
небольшой |
величине /Со, если схему видоизменить, |
|||||||
Рис. 102. Схема полной компенсации дрейфа нуля.
как |
показано на |
рис. |
102. |
При |3 = |
—- |
запоминающий, |
||||
конденсатор |
С) будет |
заряжаться |
'\0 |
величины Ucx, |
||||||
точно |
до |
|||||||||
т. е. будет |
осуществляться |
полная компенсация. |
||||||||
|
В действительности |
сдвиг нуля |
не |
удается уменьшить |
||||||
до |
сколь |
угодно |
малой |
величины |
из-за" |
паразитного сигна |
||||
ла |
(£/к), генерируемого |
контактами Рри |
переключении. |
|||||||
Выше, "при рассмотрении |
предельной |
чувствительности |
||||||||
входного |
устройства |
с |
контактным |
вибропреобразователем, |
||||||
мы подробно останавливались на источниках погрешностей,
которые |
вносит контактный переключатель, и |
на |
методах |
||||
их снижения. Практически удается |
снизить |
паразитный |
|||||
заряд, |
генерируемый контактами |
до |
3 • |
1 0 ~1Скул, |
т. |
е. до |
|
10.мко |
при коммутации входной |
цепи с |
емкостью |
30 пф. |
|||
Если выбрать |
частоту коммутации один раз в минуту, то |
||
погрешность, . |
вносимая |
паразитным |
зарядом, соответствует |
току 5 - 1 0- 1 8 а. Таким |
образом, |
при соответствующем |
|
выборе, материалов . и„.конструкции.. |
погрешность,- вносимая |
||
236 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОЧУВСТВИТ. УСИЛИТЕЛЕЙ [гл. VI
контактным переключателем, может быть снижена до весьма малой величины, что позволяет применить его для компен сации дрейфа нуля даже в самых высокочувствительных электрометрических усилителях с динамическим конденса тором.
Заметим, что в настоящее время неизвестны какие-либо другие средства, обладающие достаточной стабильностью, которые позволили бы осуществлять компенсацию дрейфа нуля в электрометрических усилителях. Неприменим также
метод |
компенсации |
дрейфа, предложенный |
Гольдбергом |
(Е. A. |
Goldberg [41]), |
поскольку контактный |
переключатель |
в вибрационном режиме, как показано выше, не обеспечи вает необходимой стабильности нуля.
Схема рис. 101, предложенная Принцем, обладает суще ственными недостатками, которые приводят к появлению дополнительных погрешностей. Основной недостаток состоит
в том, что при переключении контактов |
напряжение на |
входе усилителя периодически изменяется |
от величины |
£/вд до Uzд и происходит перезарядка входной емкости Свх. Такая перезарядка приводит, с одной стороны, к понижению чувствительности, так как от источника сигнала потребляется дополнительная энергия, с другой стороны, происходит дли тельный переходный процесс, требующий значительного уве личения времени для компенсации дрейфа, т. е. длительного выключения входного сигнала. Кроме того, выключение вход
ного сигнала при |
компенсации приводит в |
схеме рис. 1 0 1 |
к нежелательному |
переходному процессу |
в измеритель |
ном или регистрирующем приборе, включаемом на выходе усилителя. Погрешность возникает также за счет воз можного изменения сдвига нуля (£/сд) за период между ком пенсациями. Однако, если учесть незначительную скорость
изменения £/сд и выбрать |
не слишком |
большим |
период ком |
|||||||
пенсации (T J, указанная |
погрешность |
может быть уменьшена |
||||||||
до |
уровня шумов. |
Тк не |
следует |
выбирать большим, так как |
||||||
|
Отметим, |
что |
||||||||
с |
ростом Тк растет |
погрешность, |
вызванная |
саморазрядом |
||||||
конденсатора |
Cj. |
Поскольку сдвиг нуля может дости |
||||||||
гать |
нескольких |
милливольт, |
а |
допустимую |
погрешность |
|||||
желательно иметь |
в |
несколько |
микровольт, постоянная вре |
|||||||
мени |
саморазряда |
конденсатора |
|
должна быть примерно в |
||||||
1000 |
раз больше |
Тк. |
При компенсации дрейфа |
раз в минуту |
||||||
§ 20] |
|
ПРИМЕНЕНИЕ |
ОБРАТНЫХ |
СВЯЗЕЙ |
|
2 3 7 |
||
(Гк = 60 |
сек) требуется |
изоляция |
конденсатора |
не менее |
||||
6 ■Ю10 ом/мкф, |
что |
обеспечивают |
только полистироловые |
|||||
конденсаторы. |
|
|
|
|
|
|
||
Рассмотрим схемы компенсации, в которых достигается |
||||||||
значительное |
снижение погрешностей, связанных с |
переклю |
||||||
чением |
усилителя |
на |
компенсацию |
дрейфа. |
На |
рис. 103 |
||
приведена |
блок-схема усилителя, |
разработанная |
автором |
|||||
(см. [24]), |
которая |
обеспечивает |
полную |
непрерывность |
||||
Рис. 103. Компенсация дрейфа нуля с использованием двух каналов усиления.
измерения. |
В |
устройство |
входят: |
два одинаковых |
элект |
|||||
рометрических |
усилителя |
(/ |
и II) |
с |
коэффициентами уси |
|||||
ления |
Кй |
выходной каскад |
(III) |
с |
коэффициентом |
уси |
||||
ления |
Къ |
три запоминающих конденсатора С1г Со, С3; |
||||||||
генератор |
несущей частоты (ГН) для питания динамических |
|||||||||
конденсаторов |
и |
демодуляторов усилителей / |
и //; генератор |
|||||||
'импульсов |
(ГИ), |
периодически |
возбуждающий |
реле А |
Схема |
|||||
работает следующим образом: в тот полупериод, когда кон такты А,, Рб и Рв находятся в верхнем положении, усилитель I усиливает входной сигнал и работает на выходной каскад III■