§ 4. Передача сигналов: усилители

Не забывая о важности проблем, возникающих при механическом (плечо рычага) или оптическом (линза) ослаблении или усилении исходных сигналов, позволяющих осуществить непосредственную регистрацию их на закопченном цилиндре или фотографическим путем на светочувствительной эмульсии, мы все же сосредоточим наше внимание в основном на проблеме электронного усиления, хотя здесь мы сможем рассмотреть лишь самые общие аспекты проблемы.

Усилитель - это прибор, который осуществляет линейное умножение напряжения или интенсивности исходного сигнала, не изменяя его формы и характеристик. Он должен придать сигналу напряжение и интенсивность, достаточные для того, чтобы эффективно воздействовать на устройства, преобразующие сигнал на выходе, и обеспечить тем самым зрительный контроль и регистрацию явлений.

В зависимости от функции различают усилители амплитуды (напряжения) и усилители мощности (интенсивности). Первые применяются главным образом в случае зондов-перехватчиков и представляют собой предусилители в цепи передачи. Вторые сообщают сигналу электрическую мощность, необходимую для приведения в действие преобразователей выхода, и находятся в конце цепи, откуда и происходит их название - выходные усилители.

С другой стороны, обработка биоэлектрических сигналов требует исключительной осторожности при установлении связи между выходным усилителем и источником явления посредством зондов-электродов.

Эта связь может быть непосредственной в случае предусилителей постоянного тока. Именно эти приборы обладают наибольшей "полосой пропускания", то есть они способны передавать без искажений сигналы постоянной величины и их изменения, от самых медленных до самых быстрых. Однако, когда необходимо получить как можно более высокие значения усиления, при применении усилителей этого типа возникают трудно поддающиеся разрешению проблемы стабильности.

Эта связь может быть емкостной в случае предусилителей переменного тока. Наличие конденсаторов или емкостных связей, помещенных между зондом и усилителем, препятствует прохождению сигналов постоянной величины и их медленных колебаний. В то же время оно позволяет преодолеть трудности, возникающие в силу сдвига фаз, за счет сужения "полосы пропускания" со стороны низких частот, в результате чего только достаточно быстрые периодические или неустановившиеся колебания могут быть усилены без искажений.

Промежуточным типом усилителя является усилитель несущей частоты. Когда такой усилитель работает по принципу воспроизведения явления в виде сигнала с фиксированной, оптимально выбранной частотой, амплитуда которого изменяется как функция динамики изучаемого явления, он называется усилителем амплитудной модуляции. Когда же его действие основывается на использовании сигнала с постоянной амплитудой, но с частотой, меняющейся в зависимости от явления, то он называется усилителем частотной модуляции. Этот тип усилителя имеет особое назначение. Он используется в тех случаях, когда необходимо добиться высокого коэффициента усиления при широкой "полосе пропускания" и высокой стабильности.

Наиболее часто встречающимся вариантом усилителя является усилитель-прерыватель (тиккер), который производит развертку явления, преобразуя его в ряд последовательных сигналов с фиксированной частотой и переменной амплитудой, огибающая которых воспроизводит форму исходного сигнала. Эти усилители позволяют осуществлять измерение непосредственно суммируемых медленных сигналов с большим коэффициентом усиления и высокой стабильностью. Их главным недостатком является сужение полосы пропускания в силу механического разделения сигналов.

Рассмотрим, наконец, принцип работы дифференциальных усилителей, которые используются обычно в качестве предуси-лителей биоэлектрических сигналов. Входной каскад таких усилителей позволяет автоматически устранять нежелательные паразитные сигналы, совпадающие по фазе с напряжением, приложенным к электродам, в частности сигналы, возникающие в поле переменного тока в 50 гц, от которого питаются применяемые нами схемы. Напротив, разность потенциалов между электродами-зондами, введенными в изучаемый источник, оказывается должным образом усиленной.

Рис. 4. Полосы частот и диапазоны напряжения, характерные для наиболее часто используемых биоэлектрических явлений. Электроретинограмма (ЭРГ); электроэнцефалограмма (ЭЭГ); электрокардиограмма (ЭКГ); электродермограмма (кожно-гальваническая реакция - КГР); электромиограмма (ЭМГ); регистрация голоса; регистрация потенциалов действия (ПД)

Само собой разумеется, что выбор типа усилителя и типа возможной емкостной связи (постоянной времени), которая определяет полосу пропускания в цепи усиления, будет в основном функцией характеристик изучаемого сигнала. (На рис. 4 показаны характеристики напряжения и частоты некоторых наиболее часто встречающихся электрических сигналов.) Ошибка выбора может привести к значительным искажениям явления и к неправильному истолкованию результатов регистрации (см. рис. 5).

Рис. 5. Ограничения полосы пропускания различных цепей регистрации. 1. Как следствие наличия емкостных связей, введенных в цепь усиления (постоянные времени); на графике представлены три постоянные времени, обычно употребляемые в электроэнцефалографии. 2. Принцип ограничения полосы пропускания с помощью фильтров: низких частот, высоких частот или избирательных. 3. Различные типы усилителей: с прямой связью (постоянный ток), с прерывателем (тиккер), полоса пропускания которого ограничена со стороны высоких частот частотой прерывателя; с емкостной связью, полоса пропускания которого ограничена со стороны низких частот постоянной времени. В нижней части рисунка еще раз показаны (см. рис. 4) полосы пропускания наиболее часто встречающихся физиологических сигналов, знание которых необходимо для правильной регистрации их