Автоматическая регулировка усиления в усилителях низкой частоты

Использование усилителя с АРУ как мягкого ограничителя уровня сигналов

Предлагаемый усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ) может использоваться для «мягкого» и с минимальными искажениями ограничения уровня сигнала относительно его пикового значения. Последнее важно подчеркнуть: управление усилением происходит не по среднеквадратичному значению сигнала, а именно по абсолютному. Это бывает необходимо для некоторых систем обработки речи, систем связи и т. д.

Обычные усилители с АРУ в таких приложениях работать корректно не могут и, кроме того, имеют довольно высокие уровни общих гармонических искажений. Поскольку опираются они на среднеквадратичный уровень сигнала и, следовательно, имеют задержку реакции АРУ, такие усилители часто отличаются еще одной весьма неприятной особенностью, которую можно назвать «временное замирание сигнала» или «схлопывание». Этот эффект проявляется в усилителе с АРУ, когда схема регулировки усиления начинает работать в режиме захвата, то есть, когда управление сигналом по обратной связи АРУ «включено». Это присущее таким усилителям свойство, которое проявляется в мгновенном снижении уровня сигнала с его последующим медленным нарастанием до точки регулирования передаточной характеристики.

Кроме того, используемые обычно простые усилители с АРУ по разному реагируют на положительные и отрицательные полуволны сигнала, поскольку, как правило, используют однополупериодный выпрямитель. Иногда это может быть недопустимо, например, если строго задан уровень модуляции, или если недопустима перегрузка АЦП. Указанные негативные эффекты должны быть исключены, в особенности в тех системах, которые предназначены для передачи или обработки речи, где первостепенное значение имеет речевая разборчивость. Принципиальная схема «мягкого» ограничителя сигналов без перечисленных выше недостатков представлена на Рисунке 1.

Рисунок 1. Мягкий ограничитель уровня сигнала.

Устройство состоит из регулируемого аттенюатора (R4, RDS_VТ1), усилителя (DA1-1), прецизионного двухполупериодного выпрямителя (DA1-2, DA1-3) и порогового элемента управления (VT2) с емкостным интегратором (R7, C4). (RDS_VТ1 – сопротивление канала VT1). Входной сигнал поступает на усилитель через регулируемый аттенюатор. В отличие от обычных устройств, этот аттенюатор необходимо настроить таким образом, чтобы входной сигнал сразу был ослаблен примерно на 1 дБ. Это должно быть выполнено при отключенной обратной связи по АРУ. Регулировка производится подстроечным резистором R6. Последнее исключительно важно, поскольку именно эта настройка полностью устраняет вредный эффект, названный выше как «временное замирание сигнала».

Выбор типа регулирующего транзистора весьма важен, так как он влияет на снижение эффекта «временного замирания сигнала».

Сопротивление канала транзистора VT1 в открытом состоянии (RDS_ON) вместе с номинальным значением резистора R4 определяет максимальный динамический диапазон устройства в части глубины регулировки АРУ. Вычислить этот диапазон можно по формуле

Причиной высоких общих гармонических искажений обычных усилителей с АРУ являются большие нелинейные искажения, вносимые регулируемым аттенюатором. Снизить эти искажения можно с помощью специальной дополнительной RC-цепочки (C3, R13, R14), то есть путем введения в регулирующий элемент VT1 отрицательной обратной связи по затвору. Вторая проблема (реакция на амплитуду любого знака) решается путем использования схемы прецизионного двухполупериодного выпрямителя.

Важным элементом цепи управления является транзистор VT2, изменяющий напряжение на затворе транзистора VT1 в соответствии с абсолютным уровнем входного сигнала. При снижении напряжения на затворе VT1 уменьшается его сопротивление, что, соответственно, уменьшает коэффициент передачи аттенюатора. Таким образом, уровень выходного сигнала схемы не будет превышать установленного значения тех пор, пока напряжение на затворе транзистора VT1 не станет равным нулю. В этом случае транзистор VT1 будет полностью открыт.

Разборчивость речи зависит от постоянной время интегратора (R7, С4), которая может быть подобрана экспериментально. Приемлемыми для речевого сигнала значениями будут R7 = 330 кОм и C4 = 10 мкФ. Подстроечным резистором R12 устанавливается необходимое максимальное значение амплитуды выходного сигнала. Подчеркнем еще раз, что схема не работает со среднеквадратичными значениями! Естественно, что максимальная амплитуда выходного сигнала не может быть меньше, чем порог включения VT2, для слаботочных кремниевых транзисторов равный примерно 0.68 В. Именно до этого значения амплитуды усилитель ведет себя как обычный линейный, а затем меняет свой коэффициент передачи, фиксируя максимальную амплитуду сигнала на новом уровне, после чего опять работает линейно без компрессии до восстановления интегратора и нового захвата. Необходимый уровень входного сигнала может быть установлен выбором соответствующего коэффициента усиления DA1–1, который можно рассчитать по формуле

Естественно, что это справедливо только в рабочей полосе частот.

Описанное устройство имеет очень малое время отклика, составляющее менее половины периода входного сигнала.

Читайте также:  Регулировка холостого хода на квадроцикле стелс 300

Выводы

Основные особенности мягкого ограничителя:

Впервые это устройство использовалось автором в качестве ограничителя модуляции в одном из его персональных проектов. Здесь было необходимо обеспечить условие, чтобы амплитуда сигнала (в любой промежуток времени и любой полярности) не превысила строго заданный уровень. Это требование должно было выполняться в широком динамическом диапазоне входных сигналов, при низком уровне общих гармонических искажений и без заметного искажения артикуляции. Таким образом, использование известных схем ограничения было невозможным. Автором было проверено много технических решений, в результате чего выяснилось, что проект, представленный на Рисунке 1 – наилучший.

Это же решение автор использовал в составе музыкальной системы в качестве автоматического микшера ди-джея. В этом варианте на вход устройства через сумматор подавались два сигнала (музыка и голос), но их общий уровень автоматически поддерживался постоянным. Так, уровень музыкального сигнала без ручного микширования автоматически уменьшался, как только ди-джей начинал говорить, и плавно возвращался на заданный прежний уровень, если ди-джей замолкал. При этом отсутствовала перегрузка усилителей и акустических систем. Эта же идея использовалась и в качестве базы для прецизионного генератора синусоидальных сигналов на основе моста Вина. Результаты использования такого решения были превосходны и превзошли все ожидания.

Примечание редакции

Эта публикация может считаться дополнением к изданной нами ранее статье «Практика использования ИМС усилителей с АРУ серии SSM21xx» (РадиоЛоцман, 2014, май, июнь), в которой был описан усилитель с АРУ по среднеквадратичному значению сигнала.

Уменьшение нелинейных искажений основанного на полевом транзисторе регулирующего звена аттенюатора за счет введения отрицательной обратной связи описывается, например, в книге: Титце У., Шенк К. «Полупроводниковая схемотехника» 12-е изд.: Пер. с нем. – М., ДМК Пресс, 2007.

Описание использованного в рассмотренной схеме двухполупериодного выпрямителя можно найти в книге: Л. Фолкенберри «Применение операционных усилителей и линейных ИС», Пер. с англ. – М.: Мир, 1985. Обе книги имеются в Интернете и доступны для скачивания. В таком выпрямителе для повышения точности на малых сигналах лучше использовать диоды Шоттки, например, BAS40-04, но для рассматриваемой схемы это несущественно.

Значение сопротивления канала в открытом состоянии RDS_ON для маломощных полевых транзисторов не всегда приводится в спецификациях, но его легко вычислить через крутизну (S) транзистора, так RDS_ON = 1/S. Кстати, в схеме можно использовать отечественный полевой транзистор КП103М1: S = (1.3…4.4) мА/В, VGS_OFF = (2.8…7) В.

Если максимальная амплитуда выходного сигнала должна быть меньше указанного в статье значения 0.68 В, то следует изменить коэффициент усиления в двухполупериодном выпрямителе. Необходимое усиление устанавливается увеличением номиналов резисторов R11 и R3 относительно номиналов остальных резисторов выпрямителя. Для правильной работы выпрямителя не забывайте соблюдать соотношения номиналов резисторов R11 = R3, R5 = R1 = R2. При этом коэффициент усиления выпрямителя рассчитывается как KU = R3/R5.

Перевод: В.Рентюк по заказу РадиоЛоцман

Источник

Система автоматической регулировки усиленияАРУ

Автоматическая регулировка усиления обеспечивает стабильность уровня сигнала на выходе усилителя при изменении уровня входного сигнала. В современных приёмниках уровень входного сигнала может изменяться в широких пределах: от 60 дБ в приёмниках радиосвязи и до 120 дБ в радиолокационных. Нормальная работа оконечного аппарата требует, чтобы изменения выходного сигнала приёмника не превышали 4-6 дБ. Для выполнения этих требований глубина регулировки усилителя системой АРУ должна составлять 56-116 дБ.

Функциональная схема приведена на рис.10, где приняты следующие обозначения: РУ – регулируемый усилитель; АД – амплитудный детектор; УПТ – усилитель постоянного тока; ФНЧ – фильтр нижних частот; UBX – напряжение входного сигнала; UВЫХ – выходной сигнал; EЗ – напряжение задержки детектирования; EР – напряжение регулировки.

Работает система АРУ следующим образом. При увеличении амплитуды входного сигнала UBX возрастает амплитуда выходного напряжения UВЫХ:

где К(ЕР) – модуль резонансного коэффициента передачи усилителя, величина которого зависит от напряжения регулировки ЕР, вырабатываемого системой АРУ.

После амплитудного детектора выделяется выпрямленное напряжение UB, величина которого в случае задержанной АРУ равна:

где – коэффициент передачи детектора; – напряжение задержки.

Uвх
Uвых
Ер
Ез

Рис.10. Функциональная схема АРУ

Выпрямленное детектором напряжение проходит через УПТ и ФНЧ и создаёт напряжение регулировки:

Это напряжение подводится к регулируемым каскадам усилителя и уменьшает коэффициент усиления в соответствии с регулировочной характеристикой усилителя: K = K(EР).

Система АРУ, не имеющая УПТ и схемы задержки, называется простой АРУ. Её характеристики можно получить, положив ЕЗ = 0 и КУПТ = 1. Схема АРУ, содержащая УПТ, называется усиленной, содержащая схему задержки – задержанной. Основными функциональными узлами системы АРУ считаются: регулируемый усилитель; амплитудный детектор со схемой задержки; усилитель постоянного тока; фильтр нижних частот.

Важнейшей характеристикой регулируемого усилителя является его регулировочная характеристика – зависимость модуля резонансного коэффициента передачи от напряжения регулировки (рис.11).

Отношение максимального усиления (коэффициента передачи) к минимальному называют глубиной регулировки.

Глубина регулировки определяется выражениями

, или ,

где — безразмерная глубина регулировки; — глубина регулировки, дБ; , — максимальный и минимальный коэффициенты усиления.

Реальная регулировочная характеристика нелинейнанелинейная. При расчёте системы АРУ используются различные виды её аппроксимации: линейная, линейно-ломаная, экспоненциальная.

К
Ер
Ер мах
К0 мах
К0 мin
Рис.11. Регулировочная характеристика: 1 – реальная характеристика; 2 – линеаризованная характеристика.

К наиболее простым соотношениям в системе АРУ приводит линейная аппроксимация регулировочной характеристики во всём допустимом диапазоне изменения ЕР: К(ЕР) = К max – ‑ SEP, при EPminEP EPmax, где S – средняя крутизна регулировочной характеристики (средняя чувствительность регулировки):

,
а ─ напряжения регулировки, соответствующие максимальному и минимальному усилению.

Основные способы регулировки усиления:

— режимная регулировка (изменение крутизны проходной характеристики транзистора | Y21 | путём изменения режима его работы по постоянному току);

— изменение сопротивления нагрузки усилителя;

— изменение глубины обратной связи;

— изменение величины межкаскадной связи с помощью управляемых атте­нюаторов;

— изменение степени связи контура с транзистором.

От устройств регулировки требуются: существенная зависимость КO от ЕР; малый ток регулировки; малая зависимость других параметров усилителя от напряжения ЕР.

На рис.12 показан принцип регулировки усиления транзистора путём из­менения его режима по постоянному току. Регулировка усиления достигается за счёт изменения тока эмиттера. Регулирующее напряжение подаётся в цепь базы транзистора. Напряжение смещения на базе транзистора:

Eп
R1
Cр
R2
Eр
Rф
Сф
Uвых
Uк
VT1

где U – падение напряжения на ре­зисторе R2. По мере увеличения ЕР напряжение UБЭ уменьшается, что ведёт за собой уменьшение тока эмиттера и крутизны проходной ха­рактеристики |Y21|. В результате снижается коэффициент усиления.

Зависимость коэффициента усиления от тока эмиттера показана на рис.13.

На участке АБ коэффициент усиления растёт пропорционально величине тока эмиттера. Напряжение на коллекторе UК ещё достаточно велико, и его изменения практически не влияют на коэффициент усиления. На участке БВ влияние увеличивающегося тока IЭ и уменьшающегося напряжения UК на усилительные свойства каскада одинаково и противоположно, в связи с чем коэффициент усиления не изменяется. На участке ВГ напряжение UК становится настолько малым, что усилительные свойства каскада снижаются, несмотря на большой ток эмиттера. Регулировку на участке АБ обычно называют обратной, а на участке ВГ – прямой.

Режимная регулировка имеет ряд недостатков:

1. Вв процессе регулирования изменяются практически все параметры транзистора, включая его входную и выходную проводимости. Это влечёт за собой расстройку контуров в цепи базы и коллектора регулируемого транзистора, а также изменение добротности контуров. В результате изменяются частота настройки и полоса пропускания усилителя. Для уменьшения этого эффекта приходится ограничивать величину связи транзистора с контурами, что ведёт к потере усиления;

2. И-изменениеИзменение режима работы транзистора сопровождается ростом уровня нелинейных эффектов. Поэтому рекомендуется осуществлять регулировку усиления в тех каскадах приёмника, которые работают с малым уровнем сигнала.

В случае обратной регулировки (участок АБ на рис.13) коэффициент усиления пропорционален току эмиттера в определённом диапазоне его изменения (от 0,1 до 1 мА). В этом диапазоне токов глубина регулировки составляет 20 дБ. При малых токах эмиттера можно получить более глубокую регулировку усиления, но возрастают нелинейные искажения и значительно ухудшается температурная стабильность каскада. При больших токах регулировки её эффективность уменьшается.

Допустимый максимальный уровень входного сигнала усилителя
UВХ, мВ, ограничивается величиной нелинейных искажений:

,

где КГ – коэффициент гармоник; m – коэффициент модуляции; а » 40 мВ – расчётный коэффициент. В схеме без обратной связи по цепи эмиттера

Детектор АРУ предназначен для преобразования амплитудно-модулированных колебаний, полученных с выхода УПЧ, в колебания низкой частоты, среднее значение которых, выделяемое фильтром АРУ, пропорционально амплитуде напряжения несущей частоты. В качестве схем детекторов АРУ применяются те же схемы детекторов, что и для детектирования сигнала в основном канале. Однако применение совмещённых схем детектирования обычно себя не оправдывает, так как при этом нельзя осуществлять детектирование с задержкой, вызывающее недопустимые нелинейные искажения в основном канале.

Детектирование колебаний в цепи АРУ с задержкой имеет то преимущество, что при слабых сигналах, когда детектор АРУ заперт, не уменьшается
крутизна характеристики усилительных приборов. Благодаря этому для слабых сигналов сохраняются максимальное усиление и минимальный уровень собственных шумов усилителя. Следовательно, задержанная АРУ не ухудшает чувствительности приемника.

VD2
Uвх дет
К УНЧ

На рис.14 приведена схема раздельного детектирования с задержкой в цепи АРУ.

Рис. 14. Схема раздельного детектирования
R1
R2
R3
Eзад

Детекторы АРУ выполняют не только на диодах, но и на транзисторах. Транзистор одновременно используется для усиления напряжения в цепи АРУ, что позволяет обойтись без усилителя постоянного тока.

Назначением фильтра в цепи АРУ является выделение из продетектированного сигнала постоянной составляющей напряжения, пропорциональной амплитуде колебаний несущей частоты. Фильтр АРУ должен удовлетворять следующим требованиям:

— осуществлять достаточное подавление низшей модулирующей частоты что необходимо для устранения явлений демодуляции и искажений сигнала, вызываемых цепью АРУ при приёме АМ – колебаний;

— обеспечивать возможность отслеживания системой АРУ наиболее быстрых изменений уровня сигнала, вызванных, например, явлением замирания.

Эти требования являются противоречивыми. Первое определяет минимально допустимое значение постоянной времени фильтра, второе – максимально допустимое.

Дополнительным требованием к фильтру является требование минимального фазового сдвига по низкой частоте. Оно является необходимым условием обеспечения устойчивой работы замкнутой цепи АРУ. В качестве фильтра обычно используют однозвенную RC-цепь (интегрирующий фильтр). Для улучшения взаимной развязки между отдельными звеньями электронного регулятора приходится включать дополнительные RC-звенья в цепи подачи напряжения регулировки на каждое звено к цепям усилителя в соответствии с рис.15.

Если постоянные времени дополнительных звеньев выбрать много меньше постоянной времени основного фильтра (в 10 и более раз), то дополнительный фазовый сдвиг окажется незначительным и не приведёт к самовозбуждению системы АРУ.

Рис. 15. Включение развязывающих звеньев в цепь АРУ
C1
C2
C3
Cф
R1
R2
R3
Rф
От детектора АРУ

Статической характеристикой системы АРУ называют амплитудную характеристику усилителя с АРУ, каждая точка которой соответствует установившемуся режиму регулирования:

Нетрудно получить связь между амплитудами на входе и выходе усилителя:

Примерный вид статических характеристик различных систем АРУ представлен на рис.16. Величина задержки ЕЗ выбирается обычно на уровне, соответствующем чувствительности усилителя UBX 0 = UBX min. Диапазон изменения амплитуды входного сигнала составляет

.

При этом диапазон изменения амплитуды выходного сигнала рассчитывается

(при линейной аппроксимации регулировочной характеристики) по формуле

.

Благодаря применению системы АРУ достигается существенное расширение входного динамического диапазона при заданном выходном: dВХ>>dВЫХ.

Uвых
Eзад
Uвх
Uвх 0

Как входной, так и выходной динамический диапазоны принято выражать в децибелах:

дБ.

Чем больше DBX усилителя и чем меньше соответствующий ему диапазон DВЫХ, тем более качественной считается система АРУ усилителя. Идеальной называют систему АРУ, которая обеспечивает DВЫХ = 0 при заданном DBX.

Рис. 16. Статические характеристики системы АРУ: 1 ‑ характеристика усилителя без АРУ; 2 ‑ характеристика усиленно-задержанной АРУ; 3 ‑ характеристика простой АРУ

Требования к динамическим диапазонам усилителя DBX и DВЫХ определяют необходимую глубину регулировки усиления системой АРУ:

где DАРУ – необходимая глубина регулировки усиления, дБ; DВХ, DВЫХ – входной и выходной динамические диапазоны, дБ.

Система АРУ вносит искажения в закон амплитудной модуляции сигнала при его усилении. Эти искажения не должны превышать допустимых пределов. Искажения сигнала возникают в том случае, когда величина напряжения регулировки ЕР начинает изменяться в соответствии с модуляцией входного сигнала, т.е. при недостаточной величине постоянной времени ФНЧ в цепи АРУ.

Выбор величины постоянной времени ФНЧ в цепи АРУ играет большое значение. При слишком большой постоянной времени система АРУ не успевает компенсировать изменения уровня входного сигнала. При слишком малой постоянной времени происходит уменьшение коэффициента модуляции сигнала в области нижних частот, и возникают нелинейные искажения закона модуляции. При расчёте постоянной времени фильтра Т учитывают, что постоянная времени системы АРУ значительно меньше постоянной времени фильтра: τАРУ UBX KP.

В связи с тем, что использование многозвенных ФНЧ с одинаковыми (или близкими по величине) постоянными времени звеньев приводит к потере устойчивости системы АРУ, применять многозвенные ФНЧ не рекомендуется.

Источник

Читайте также:  Регулировка карбюратора ямаха бвс
Оцените статью
( Пока оценок нет )
Поделиться с друзьями
Настройки и регулировки