Автоматическая Регулировка усиления

 

Назначение и виды регулировок

 

В процессе изготовления и эксплуатации радиоприемника для получения наилучшего качества приема приходится регулировать ряд его показателей: частоту настройки, коэффициент усиления, полосу пропускания и др. Для осуществления этих регулировок в РПУ используют регуляторы. В зависимости от вида регулиру­емого параметра различают: регулировку усиления, которая может осуществляться в трактах радиочастоты и промежуточной частоты, а также в последетекторной части приемника; регулировку частоты настройки, обеспечивающую прием сигналов в широком диапазоне частот; регулировку полосы пропускания, которая может произво­диться в трактах радиочастоты и промежуточной частоты, а также в последетекторной части приемника. Возможны регулировки и других параметров приемника.

Регулировка бывает ручной и автоматической. Ручная регулиров­ка служит для установки исходных показателей РПУ. Автоматичес­кая регулировка поддерживает выбранные показатели РПУ на тре­буемом уровне. Некоторые виды регулировок можно отнести к сме­шанным. В современных РПУ для регулировок, управления и конт­роля широко используют микропроцессоры. В некоторых прием­никах предусматривается дистанционное управление.

 

Регулировка усиления

 

Способы регулировки усиления резонансного усилителя. Резонансный коэффициент усиления усилителя

 

K₀=m_lm₂SR_экв, (14.1)

где т₁, т₂ — коэффициенты включения; R_экв — эквивалентное сопротивление контура при резонансе с уче­том шунтирующего действия выхода транзистора и входа последу­ющего каскада; S — крутизна транзистора в рабочей точке). Регу­лировка К₀ может осуществляться изменением любой величины, входящей в формулу.

При синтезе устройств регулировки требуются существенное из­менение К₀ от напряжения регулировки Е_рег, малый ток регулиров­ки, малая зависимость изменения других параметров усилителя при изменении К₀. Рассматриваемые способы изменения усиления при­менимы как для ручных, так и для автоматических регулировок.

Регулировка изменением крутизны S. Такая регулировка осуществляется изменением режима электронного прибора (соот­ветственно регулировка К₀ называется режимной). Для изменения крутизны S необходимо менять напряжение смещения на управля­ющем электроде электронного прибора: напряжение U_БЭ0 в бипо­лярном или напряжение U_ЗИ0 в полевом транзисторах. Изменение напряжения U_БЭ0на транзисторе вызывает существенное изменение крутизны S в рабочей точке; при изменении напряжения смещения в полевом транзисторе изменяется практически только крутизна S, а в биполярном — еще и такие его параметры, как g_вх, g_вых и т. д.

Регулирующее напряжение Е_рег подается в цепь эмиттера либо в цепь базы транзистора. Схема регулировки первого вида показана на рисунке 1, а, напряжение смещения на транзисторе U _БЭ0 = U₀ – Е_рег. По мере увеличения Е_рег напряжение U _БЭ0 уменьшается, что влечет за собой уменьшение тока I _К0 и крутизны S, в результате чего ко­эффициент усиления К₀ снижается. Цепь регулировки должна обес­печить ток, примерно равный I _Э0.Если регулируется п каскадов, то ток регулировки I _рег= пI Э0, поэтому цепь регулировки должна выра­батывать сравнительно большой ток I_рег, что является недостатком схемы рисунок 14.1, а. Этим недостатком не обладают цепи регулировки второго типа, в которых напряжение Е_рег вводится в цепь базы (рисунок 14.1, б): U_БЭ0=U ₀ —Е_рег, поэтому принцип регулировки в обоих случа­ях одинаков. Достоинство регулировки по схеме рисунок 14.1, б состоит в том, что ток I_рег, равный току делителя I_дл = (5–10) I _Б0, во много раз меньше тока I_рег при регулировке по схеме рисунок 1а. Однако схема рисунок 14.1, б менее стабильна в работе, поскольку в ней отсутствует резистор в цепи эмиттера R_Э. Включение резистора R_Э приво­дит к уменьшению эффективности регулировки, так как он обес­печивает стабилизацию режима не только при изменении темпера­туры, но и при изменении Е_рег. При включении резистора R_Э, для обеспечения той же глубины регулировки необходимо подавать большее значение напряжения Е_рег.

Рисунок 14.1 Регулировка изменением крутизны S

Регулировка изменением R_экв. Такая регулировка может осуществляться различными способами. На рисунок 14.2 показана схема регулировки с подключенным параллельно контуру диодом VD. При Е_рег> U_к диод закрыт и контур практически не шунтирует; при этом R_экв и К₀ наибольшие. При Е_рег< U_к, диод открывается и его входное сопротивление шунтирует контур. В этом случае R_экв, а следовательно, и K₀ уменьшаются. Основной недостаток такого способа регулировки состоит в том, что при изменении R_экв изменяется не только К₀, но и эквивалентное затухание контура, а это вызывает изменение полосы пропускания усилителя. Тем не менее при сильном сигнале допустимо некоторое ухудшение селективности.

Рисунок 14.2 Регулировка изменением R_экв

 

Регулировка изменением т₁ и т₂. Данный способ регулировки поясняется схемой рисунок 14.3. Напряжение с контура подается на делитель Z₁Z₂, изменяя одно из сопротивлений которого можно менять коэффициент включения т₂. Аналогична схема для изменения т₁. В качестве Z₁ и Z₂ можно использовать катушки с переменной индуктивностью либо конденсаторы с переменной емкостью. Однако этот способ регулировки не используется, так как связан с трудно предотвратимой расстройкой контура, возникающей при изменении Z₁ и Z₂.

Рисунок 14.3 Регулировка изменением т₁ и т₂

 

Аттенюаторная регулировка. При таком способе регулировки между усилительными каскадами включают аттенюатор с переменным коэффициентом передачи. Используются регулируемые делители, емкостные делители на варикапах, мостовые схемы. Так, на рисунке 14.4, а показана схема регулируемого аттенюатора на диодах VD₁ — VD₃. При Е_рег < U₀ диоды VD₁ — VD₂ открыты, а диод VD₃ закрыт; при этом коэффициент передачи максимален. По мере увеличения Е_рег динамические сопротивления диодов VD_t и VD₂ увеличиваются, а динамическое сопротивление диода VD₃ уменьшается, следовательно, уменьшается коэффициент передачи атте­нюатора.

На рисунке 14.4, б представлена схема делителя, в которой в качестве управляемого сопротивления применяют полевой транзистор; под действием Е_рег изменяется сопротивление канала транзистора.

Широко используются аттенюаторы на pin-диодах, обладающих большим диапазоном изменения сопротивления и малой емкостью, нa рисунке 14.4, в показана схема аттенюатора на pin-диодах, работой которых управляют изменением смещения на базе транзистора VT ₁ помощью резистора R_рег.

Рисунок 14.4 Схемы регулируемого аттенюатора, делителя и аттенюатора на pin-диодах

 

При нулевом напряжении регулировки диоды VD₁ и VD₂ закрыты, a VD ₃ открыт, и затухание аттенюатора минимально. При максимальном напряжении регулировки диоды VD₁ и VD₂ открыты, а VD ₃ закрыт, и затухание аттенюатора мак­симально.

Рисунок 14.5 Регулировка К₀ с помощью регулируемой ООС

 

Регулировка К₀ с помощью регулируемой ООС. Этот способ регулировки К₀, как и аттенюаторная регулировка, не выте­кает из формулы (14.1). Типовая схема изменения К₀ регулируемой ООС показана на рисунке 14.5. В этом случае ООС вводится в цепь эмиттера транзистора. В усилительных каскадах параллельно R_Э обычно включают конденсатор С_Э, большой емкости для устранения ООС.

В схеме рисунок 14.5 глубину ООС можно регулировать изменением емкости конденсатора C_рег; блокировочный конденсатор С_бл служит для разделения по постоянному току цепей регулировки и питания транзистора. Как правило, в качестве С_рег используют варикап VD. С увеличением Е_рег диод VD закрывается сильнее, его емкость С_рег уменьшается, напряжение ООС увеличивается, коэффициент усиления К₀ уменьшается.

Регулировка усиления в трактах звуковой и видеочастот. Способы регулировки коэффициента усиления каскадов после детекторной части приемника в основном те же, что и способы регулировки К₀ резонансных усилителей. Чаще в усилителях звуковых частот применяют плавную потенциометрическую регулировку усиления (рисунок 14.6); в широкополосных усилителях такую регулировку используют обычно в низкоомных цепях.

Рисунок 14.6 Потенциометрическая регулировка усиления

 

Наряду с потенциометрической часто осуществляют (особенно в широкополосных каскадах и ОУ) регулировку усиления с помо­щью регулируемой ООС. В некоторых случаях находит применение режимная регулировка. В последнее время для электронной регули­ровки усиления и стереобаланса используют специализированные ИС, например К174УН12.

Выводы: 1. Режимная регулировка коэффициента усиле­ния К₀ осуществляется изменением крутизны усилительного элемента при изменении смещения на УЭ. Недостаток режим­ной регулировки состоит в том, что с изменением смещения на УЭ помимо крутизны S существенно изменяются и остальные параметры биполярного транзистора.

2. При регулировке К₀ за счет изменения сопротивления R_экв контура резко изменяется полоса пропускания усилителя, что ограничивает применимость этого способа регулировки.

3. При аттенюаторной регулировке К₀ напряжение с кон­тура усилителя подается на делитель с регулируемым коэф­фициентом передачи, в качестве которого широко используются диодные делители, емкостные делители на варикапах, мо­стовые схемы, делители на полевых транзисторах и т. д.

4. Для регулировки усиления усилителей используют и регу­лируемую ООС.

Принцип действия и виды АРУ

 

Автоматическая регулировка усиле­ния (АРУ) предназначена для поддержания постоянного напряже­ния на выходе УПЧ, необходимого для нормальной работы выход­ных устройств приемника. Уровень сигнала на входе приемника изменяется в широких пределах; при максимальном напряжении_на входе РПУ система АРУ должна обеспечить минимальный коэф­фициент усиления радиотракта приемника, и наоборот. Таким об­разом, задача АРУ — изменять усиление радиотракта РПУ в зави­симости от уровня входного сигнала. Система АРУ должна иметь устройство, напряжение Е_рег на выходе которого зависит от уровня сигнала в радиотракте приемника. Таким устройством может слу­жить, например, амплитудный детектор. Напряжение Е_рег, подава­емое на усилительные каскады, изменяет их коэффициент усиления. Для АРУ в приемнике создается цепь АРУ, состоящая из детектора АРУ и фильтра. В зависимости от способа подачи регулируемого напряжения АРУ подразделяют на обратные, прямые и комбинированные.

Структурная схема обратной АРУ. В этой схеме (рисунок 14.7) напряжение регулировки E_рег получают из напряжения U_выx на выходе регулируемого усилителя, в котором могут применяться способы регулировки усиления, рассмотренные выше.

Рисунок 14.7 Структурная схема обратной АРУ

 

Напряжение Е_рег по­дается со стороны выхода в направлении входа усилителя, что и обусловило название этого вида АРУ. Детектор АРУ обеспечивает напряжение Е_рег на его выходе, пропорциональное амплитуде напряжения U_выx: Е_рег = К_детАРУU_выx

Фильтр АРУ отфильтровывает составляющие частот модуляции и пропускает медленно изменя­ющиеся составляющие напряжения Е_рег. Цепь АРУ, состоящую только из детектора и фильтра, называют простой. В цепь АРУ может включаться усилитель до или после детектора. Усилитель до детектора АРУ — это УПЧ, после детектора — УПТ. В высокока­чественных РПУ усилитель иногда включают до и после детектора. При наличии в цепи АРУ усилителя АРУ называют усиленной.

Работа регулируемого усилителя совместно с цепью АРУ описы­вается характеристикой АРУ, показывающей зависимость U_выx=F(U_вx) (рисунок 14.8). Если АРУ простая, то при увеличении U_вх нап­ряжение U_вых = K₀U_вх из-за уменьшения за счет АРУ резонансного коэффициента усиления К₀ увеличится в меньшее число раз, чем напряжение U_вx. С увеличением U_выx увеличивается Е_рег и соответст­венно уменьшается К₀. Недостаток простой АРУ состоит в том, что коэффициент усиления радиотракта приемника уменьшается и при приеме сигналов малого уровня, когда этого не требуется. Для устранения этого недостатка используют АРУ с задержкой, в кото­рой цепь АРУ начинает действовать только в том случае, когда входное напряжение U_вх превышает пороговое U_поp; при этом слабые сигналы цепью АРУ не ослабляются. При идеальной работе цепи АРУ с задержкой для U_вx ≥ U_пор напряжение на выходе усилителя постоянно (пунктирная прямая на рисунке 14.8). По мере увеличения коэффициента усиления усилителя в цепи АРУ характеристика АРУ реального усилителя все в большей степени приближается к идеаль­ной.

Рисунок 14.8 Характеристики АРУ

 

Особенностью обратной АРУ является то, что она не позволяет получить идеальную характеристику АРУ; в этом случае можно лишь приблизиться к ней. Обратная АРУ не может быть идеальной, поскольку для ее работы необходимо приращение выходного напря­жения ΔU_выx.

Если допустить, что АРУ идеальна, то ΔU_выx =0, при этом Е_рег= const, К₀ = const, регулировка отсутствует, а следователь­но, U_выx должно возрастать.

Структурная схема прямой АРУ (см. рисунок 14.9, б). Цепь АРУ подключена к входу регулируемого усилителя, напряжение регули­ровки Е_рге получается в результате детектирования входного напря­жения. При увеличении U_вx напряжение на выходе детектора АРУ возрастает, при этом увеличивается Е_рег, что вызывает уменьшение К₀. Напряжение U_вых = K₀U_вх. Если U_вх увеличивается, то К₀ умень­шается; при этом их произведение может оставаться постоянным.

Прямая АРУ позволяет получить идеальную характеристику регу­лировки (рисунок 14.8б), но практически добиться этого не удается. Такой АРУ свойствен ряд недостатков, основной из которых состоит в необходимости включать перед детектором в цепи АРУ допол­нительный усилитель с большим коэффициентом усиления.

Если, например, напряжения Е_рег= 0,1—1 В, U_вx =10—100 мкВ, то усили­тель в цепи АРУ должен иметь усиление К₀~ 10-10⁵, практически такое же, как и в основном тракте приемника. Прямая АРУ неста­бильна, т. е. подвержена действию различных дестабилизирующих факторов.

Если, например, из-за изменения температуры или напря­жения источника питания коэффициент усиления К₀ регулируемого усилителя увеличится, то характеристика АРУ из идеальной превра­щается в характеристику с нарастающим U_выx (рисунок 14.8б).

 

Рисунок 14.9 Виды АРУ

Структурная схема комбинированной АРУ (см. рисунок 14.9, в). В этом случае рационально используются преимущества обеих схем АРУ: стабильность обратной АРУ и возможность получения иде­альной характеристики в прямой АРУ. Для первого усилителя это обратная, а для второго — прямая АРУ. Основная регулировка происходит в первом усилителе. Он, как правило, содержит несколь­ко регулируемых каскадов. Второй регулируемый усилитель обыч­но однокаскадный, его основная задача — несколько скомпенсиро­вать возрастающее напряжение на выходе первого усилителя. То, что идеальная регулировка не достигается на практике, не имеет большого значения, так как пределы изменения U_выx невелики.

Бесшумная АРУ. Система АРУ обеспечивает в приемнике максимальное усиление тогда, когда принимается слабый сигнал. Это приводит к увеличению уровня шумового напряжения на выхо­де приемника. Это явление устраняет бесшумная АРУ (см. рисунок 14.9г), для реализации которой создается специальная цепь БШР, упра­вляемая Е_рег. Если Е_рег становится ниже определенного уровня, то цепь БШР вырабатывает напряжение Е_э запирающее УЗЧ; при прревышении Е_рег этого порогового значения Е_э становится равным нулю, У3Ч отпирается и работа приемника восстанавливается. Имеется ряд схемных реализаций цепи БШР.

Назначение фильтра в цепи АРУ. Амплитуда сигнала в приемнике может изменяться по двум причинам: 1) при использование амплитудной модуляции для передачи информации в системе связи или радиовещания; 2) из-за замираний, при которых уровень сигнала на входе приемника изменяется по случайному закону в очень широких пределах. Цепь АРУ должна устранять только замирания сигнала, но не должна реагировать на полезные изменения амплитуды АМ-сигнала, что обеспечивается с помощью фильтра АРУ

Выводы:

1. Для АРУ создают цепь, состоящую из детек­тора и фильтра. Детектор обеспечивает напряжение регули­ровки, пропорциональное амплитуде сигнала в радиотракте; фильтр подавляет составляющие с частотами модуляции и пропускает составляющие, вызываемые замираниями сигнала.

2. В обратной АРУ напряжение регулировки получают из напряжения на выходе регулируемого усилителя. Для прибли­жения характеристики АРУ к идеальной в цепь АРУ включают усилительные каскады. Цепь обратной АРУ принципиально не может обеспечить идеальной характеристики.

3. В прямой АРУ напряжение в цепь АРУ поступает со входа регулируемого усилителя. При прямой АРУ возможно получение идеальной характеристики, однако при этом в цепи АРУ необходим усилитель с большим коэффициентом усиле­ния. Прямая АРУ отличается сложностью и сильно подвер­жена действию дестабилизирующих факторов.

4. В комбинированной АРУ рационально используются ста­бильность обратной и возможность получения идеальной хара­ктеристики прямой АРУ.

5. В приемниках импульсных сигналов детектор радиоим­пульсов и пиковый детектор необходимы как для АРУ, так и для обработки сигнала. Детектор радиоимпульсов обычно ставят объединенный. Цепь АРУ в импульсном РПУ открыва­ют только на время действия полезных импульсов. Система ПАРУ обеспечивает изменение во времени усиления приемника так, что оно максимально при приеме слабых и минимально при приеме сильных импульсов.

6. Из-за наличия в цепи обратной АРУ инерционных элемен­тов при изменении входного напряжения в системе АРУ воз­никает апериодический или колебательный переходный процесс, который может нарушить нормальный прием сигнала.