11. Элементы регулировки в усилительных устройствах

11.1. Регулировка усиления

В процессе эксплуатации усилителей всегда возникает необходимость в различного рода регулировках, которые можно разделить на ручные и автоматические: первые производятся при помощи ручек управления, вторые – автоматически. Регулировку усиления сигнала (например, громкости воспроизведения звука) можно производить плавно (плавная регулировка) или скачкообразно (ступенчатая регулировка). Наиболее широко используется плавная регулировка усиления, осуществляемая с помощью непроволочных резисторов переменного сопротивления. Ступенчатая регулировка усиления конструктивно сложнее плавной, т.к. требует использования ступенчатого переключателя и большого количества деталей. Ступенчатую регулировку усиления применяют только там, где надежность плавной регулировки оказывается недостаточной или где по техническому заданию необходимо изменять коэффициент усиления скачками в определенное число раз.

Регулировка усиления в современных усилителях предназначена для:

1) поддержания коэффициента усиления неизменным при замене усилительных элементов, их старении, изменении питающего напряжения и пр.;

2) изменения уровня выходного сигнала при постоянном уровне входного сигнала или поддержания неизменного уровня выходного сигнала при изменяющемся входном сигнале;

3) предохранения усилителя от перегрузки при чрезмерном увеличении уровня входного сигнала.

Отношение коэффициентов усиления устройства при двух крайних рабочих положениях регулятора усиления называют глубиной регулировки или полным затуханием регулятора и выражают обычно в децибелах или неперах:

или .

(11.1)

Для предотвращения перегрузки усилительных элементов при увеличении амплитуды входного сигнала регулятор усиления вводится в каскады предварительного усиления. Не рекомендуется:

• ­вводить элемент регулировки усиления в первый каскад, поскольку это увеличивает общий коэффициент шума усилителя;

• ­вводить элемент регулировки усиления в последний каскад, поскольку это нарушает согласование с нагрузкой, кроме того, возникает опасность перегрузки предыдущих каскадов и возникновения больших нелинейных искажений.

Основными и наиболее распространенными способами регулировки усиления являются: потенциометрическая регулировка, регулировка изменением положения рабочей точки покоя, регулировка обратной связью.

Потенциометрическая регулировка

При потенциометрической регулировке между источником сигнала и усилительным каскадом, либо между усилительными каскадами включается регулировочный переменный резистор , который изменяет коэффициент деления поданного на него напряжения (рис.11.1).

Рис.11.1. Потенциометрическая регулировка усиления

Потенциометрическая регулировка сводится к изменению уровня входного сигнала.

В качестве потенциометрического регулятора усиления могут быть использованы:

• ­резистор, шунтирующий вторичную обмотку входного трансформатора,

• ­резистор, нагружающий источник сигнала,

• ­резистор нагрузки эмиттерного или истокового повторителя.

Достоинствами плавной потенциометрической регулировки являются:

• ­простота;

• ­возможность получения довольно большой глубины регулировки.

К ее недостаткам относятся:

• ­изменение частотной и переходной характеристик устройства при изменении положения рукоятки регулятора,

• ­появление на выходе устройства шумов при вращении рукоятки регулятора вследствие непостоянства контактного сопротивления ползунка.

Плавную потенциометрическую регулировку (рис.11.2) широко применяют в усилителях звуковых частот и других усилительных устройствах с верхней рабочей частотой до нескольких десятков килогерц, так как в этом диапазоне частот вносимое ею изменение характеристик невелико. В широкополосных усилителях ее удается использовать лишь в низкоомных регуляторах, являющихся нагрузкой эмиттерных или истоковых повторителей. Из-за вносимых шумов такой регулятор не следует вводить в цепи с малым напряжением сигнала ниже сотен микровольт.

Рис.11.2. Схема потенциометрической регулировки усиления параллельным переменным резистором

При использовании регулировки для поддержания неизменного коэффициента усиления при замене усилительных элементов и деталей схемы, а также при их старении, необходимая глубина регулировки усиления обычно не превышает 10÷20 дБ, что соответствует изменению коэффициента усиления устройства в 3÷10 раз. В этих случаях в качестве регулятора усиления обычно применяют непроволочные резисторы с линейной зависимостью введенного в цепь сопротивления от угла поворота рукоятки регулятора.

В виду того, что ощущение громкости звука пропорционально логарифму уровня сигнала, при использовании регулировки для изменения громкости воспроизведения звука желательно иметь изменение усиления в децибелах [дБ] пропорциональным углу поворота рукоятки (при работе регулятора на высокоомную входную цепь):

(11.2)

где А – коэффициент пропорциональности, – относительное изменение усиления, и – полное и введенное в цепь сопротивления регулирующего резистора соответственно.

Изменение в этом случае должно подчиняться показательному закону, поэтому в усилителях звуковых частот и ряде других случаев в качестве регуляторов усиления применяют непроволочные резисторы с показательным законом изменения сопротивления от угла поворота рукоятки. Такие резисторы обеспечивают рабочий диапазон регулировки усиления порядка 40 дБ (изменение усиления в 100 раз) при удовлетворительной ее равномерности, что для усилителей звуковых частот обычно вполне достаточно.

Одним из недостатков плавной потенциометрической регулировки является зависимость частотных и переходных искажений каскада от положения регулятора усиления. При крайнем нижнем положении ползунка регулятора сопротивление , с которого снимается напряжение сигнала, стремится к нулю, а поэтому частотные и переходные искажения, вносимые разделительным конденсатором в таком положении регулятора максимальны.

Еще одним недостатком такого вида регулировки является возникновение частотных искажений в области верхних частот. Эти искажения обусловлены увеличением общего эквивалентного сопротивления источника сигнала за счет включения во входную цепь транзистора сопротивления регулятора и, следовательно, увеличением . Частотные же и переходные искажения, вносимые эквивалентной входной емкостью следующего каскада, будут наибольшими в том положении ползунка, где выходное сопротивление регулятора максимально.

Поэтому в каскаде с плавной потенциометрической регулировкой усиления, имеющем на выходе регулятора разделительный конденсатор , необходимую емкость этого конденсатора следует определять, исходя из допустимых частотных искажений на нижней граничной частоте или допустимого спада вершины импульсы полагая . Полное сопротивление регулятора в этом случае берут не больше величины, при которой при максимальном выходном сопротивлении регулятора, значение не превзойдет определяемого по допустимым частотным искажениям на верхней рабочей частоте или допустимому времени установления фронта.

Из сказанного выше следует, что для того, чтобы частотные и переходные искажения усилительного устройства сильно не изменялись при изменении положения регулятора усиления, в каскаде с потенциометрической регулировкой не следует допускать значительных частотных и переходных искажений.

При нагрузке цепью с невысоким входным сопротивлением (например, входной цепью транзистора с общим эмиттером) увеличение громкости передачи по закону, близкому к линейному, при вращении рукоятки регулятора по часовой стрелке позволяет получить регулировку усиления последовательным переменным резистором (рис. 11.3).

Рис.11.3. Схема потенциометрической регулировки усиления последовательным переменным резистором

При заданной глубине регулировки необходимое сопротивление резистора регулятора для схемы на рис.11.3 определяется выражением (11.3).

(11.3)

При использовании регулятора с последовательным переменным резистором наибольшие частотные и переходные искажения от конденсаторов и получаются при замкнутом накоротко (наибольшая громкость), а наибольшие искажения от влияния – при полностью введенном (наименьшая громкость), что следует учитывать при расчете вносимых каскадом искажений и определении необходимой емкости разделительного конденсатора и конденсатора эмиттерной стабилизации .

Возникающие при движении ползунка потенциометрического регулятора усиления шумы сильно возрастают, если через резистор протекает постоянная составляющая тока. Поэтому для уменьшения вносимых регулятором шумов преграждают путь постоянной составляющей тока через резистор .

Когда усилитель должен иметь несколько фиксированных, строго определенных значений коэффициента усиления, что, например, требуется в измерительной аппаратуре для изменения пределов измерения, используют ступенчатую потенциометрическую регулировку усиления (рис.11.4).

Рис.11.4. Ступенчатая потенциометрическая регулировка усиления

В измерительной аппаратуре изменение усиления при переключении регулятора на соседнюю ступень обычно берут в 2, 3 или 10 раз (скачок регулировки 6, 10 или 20 дБ) в соответствии с предъявленными к прибору требованиями. При использовании такой регулировки в высококачественной и высоконадежной звуковой аппаратуре скачок регулировки берут таким, чтобы он практически не ощущался на слух (1,5÷2,5 дБ).

Ступенчатую регулировку можно сделать из ряда последовательно соединенных резисторов (рис. 11.4) или из ряда отдельных делителей. Хотя первый вариант требует меньшее количество резисторов и более простой (одноползунковый) переключатель, но используется он редко вследствие сложности подгонки необходимого ослабления усиления, меньшей надежности и трудности ремонта (здесь все резисторы соединены последовательно и выход из строя одного из них выводит из строя весь регулятор). Ступенчатая потенциометрическая регулировка с отдельными делителями становится частотнонезависимой, т.е. не вносит ни частотных, ни переходных искажений, если произведение емкости, шунтирующей верхний резистор ступени деления, на сопротивление этого резистора равно произведению емкости, шунтирующей нижний резистор, на его сопротивление. Для выполнения этого условия параллельно верхним резисторам ступеней подключают полупеременный конденсатор малой емкости ( , и т.д.), каждый из которых в готовом приборе регулируют до получения частотнонезависимого ослабления сигнала на каждом из положений регулятора. При большой глубине регулировки для обеспечения указанного условия приходится включать конденсатор постоянной емкости и параллельно нижним резисторам (конденсаторы , и т.д.). Регуляторы усиления такого типа называют ступенчатыми потенциометрическим компенсированными регуляторами усиления и применяют в широкополосной измерительной аппаратуре (широкополосных вольтметрах, осциллоскопах и т.д.).

Достоинством ступенчатой потенциометрической регулировки усиления является возможность получения очень большой глубины регулировки, достигающей при хорошо сконструированном регуляторе 100÷120 дБ.