Основные параметры системы ару

Основными характеристиками системы АРУ являются:

коэффициент регулирования ( ), равный отношению максимального коэффициента К_max к минимальному К_min .

Если обозначить

, ,

то с учетом того, что в приемнике с АРУ

К_max= , К_mix= , = .

Каков порядок величины этого коэффициента? Если, например, радиовещательный приемник должен принимать сигналы при U_вхmin=1 мкВ, а при настройке на ближайшую мощную станцию должен обеспечивать без искажений прием сигнала с U_выхmax=20мВ, то . Пусть при этом допустимый коэффициент изменения напряжения на выходе . Тогда .

Поэтому значение обычно задается в децибелах

.

Время установления (ty) – интервал времени от момента включения входного сигнала при Uc=Uc_max до момента времени, когда амплитуда выходного напряжения достигнет величины, отличающейся от установившегося значения не более чем на 10%.

Регулировочная характеристика – зависимость коэффициента усиления регулируемого усилителя по напряжению от величины регулирующего напряжения U_p или тока I_p. Вид этой характеристики приведен на рис. 21.2.

Рис. 21.2. Регулировочная характеристика.

Значение U_p, в свою очередь определяется уровнем сигнала на выходе регулируемого усилителя. Зависимости уровня регулирующего напряжения от величины U_вых для двух типов АРУ приведены на рис. 21.3.

Рис. 21.3. Зависимости U_р = f (U_вых)

1 – простая АРУ; 2 – АРУ с задержкой.

Амплитудная характеристика – зависимость уровня выходного напряжения регулируемого усилителя от уровня входного сигнала U_с.

Коэффициент нелинейных искажений определяет отклонение модулирующей функции полезного сигнала от истинного значения.

22. Методы регулирования ару.

Автоматическая регулировка усиления в радиоприёмниках обычно осуществляется в тракте промежуточной частоты. Она предназначена для поддержания постоянства уровня сигнала на выходе УПЧ, необходимого для нормальной работы выходных устройств приёмника. Уровень сигнала на входе приёмника изменяется в широких пределах. АРУ должна обеспечить минимальный коэффициент усиления радиоприёмника при максимальном уровне сигнала на его входе, и наоборот; максимальный коэффициент усиления при минимальном уровне сигнала на входе. Таким образом, система АРУ должна иметь устройство, напряжение Е_рег на выходе которого зависит от уровня сигнала в радиотракте приёмника. Таким устройством может служить амплитудный детектор, который выдаёт выпрямленное напряжение, пропорциональное уровню сигнала в радиотракте. Напряжение Ерег, подаваемое на усилительные каскады, изменяет соответствующим образом их коэффициент усиления. Устройство АРУ включает в себя: детектор АРУ, фильтр, устраняющий действие АРУ на быстрые изменения уровня ВЧ сигнала под действием модуляции сигналом передаваемой информации, и регулируемые усилители. В зависимости от способа подачи регулируемого напряжения U_рег АРУ подразделяются на обратные, прямые и комбинированные.

Схема обратной АРУ.

В этой схеме (рис. 22.1) напряжение регулировки Е_рег получают из напряжения U_вых регулируемого усилителя.

Рис. 22.1. Схема обратной АРУ [1].

Напряжение Е_рег подаётся со стороны выхода в направлении входа усилителя, что обусловило название этого вида АРУ. Схема АРУ, которая состоит только из детектора и фильтра, называется простой АРУ. В цепь АРУ может включаться усилитель до или после детектора. Усилитель до детектора АРУ − это УПЧ, после детектора − УПТ. В высококачественных радиоприёмниках усилитель иногда включают и до, и после детектора. При наличии в цепи АРУ усилителя АРУ называют усиленной. Недостаток простых схем АРУ состоит в том, что коэффициент усиления радиотракта приёмника уменьшается и при приёме сигналов малого уровня. Для устранения этого недостатка используют АРУ с задержкой, в которой система АРУ начинает действовать, когда напряжение U_вх превышает пороговое U_пор; при этом слабые сигналы системой АРУ не ослабляются (рис. 22.2).

Рис. 22.2. Зависимость входного сигнала от выходного для различных типов АРУ [1].

По мере увеличения коэффициента усиления в цепи АРУ характеристика её приближается к идеальной. Особенностью обратной АРУ является то, что она не позволяет получить идеальную характеристику АРУ. К ней можно только приблизиться, увеличивая усиление в цепи АРУ. Обратная АРУ не может быть идеальной, поскольку для её работы принципиально необходимо приращение выходного напряжения ΔUвых.

Схема прямой АРУ (рис. 22.3).

В этой схеме цепь АРУ подключается к входу регулируемого усилителя, напряжение регулировки Е_рег получается в результате детектирования Uвх. При увеличении U_вх напряжение на выходе детектора АРУ возрастает, при этом увеличивается Е_рег, что вызывает уменьшение коэффициента усиления усилителя. Напряжение U_вых = К₀U_вх . Чтобы U_вых оставалось постоянным при увеличении U_вх , пропорционально должен уменьшаться К₀.

Рис. 22.3, 4. Схема прямой АРУ и её характеристика регулировки [1].

Прямая АРУ позволяет получить идеальную характеристику регулировки (рис.22.4), но практически этого добиться не удается. Этой АРУ свойственны недостатки, основной из которых состоит в необходимости включать перед детектором в цепи АРУ дополнительный усилитель с большим коэффициентом усиления. Если принять Е_рег = 0,1 – 1 В, U_вх = 10 – 100 мкВ, то усилитель в цепи АРУ должен иметь усиление К = 104 – 105, т. е. практически такое же, как и в основном тракте приёма. Прямая АРУ имеет низкую стабильность, она подвержена действию различных дестабилизирующих факторов. Если, например, из-за изменения температуры или напряжения источника питания коэффициент усиления регулируемого усилителя увеличивается, то характеристика АРУ из идеальной превратится в характеристику с нарастающим U_вых. Рациональным использованием преимуществ обоих схем АРУ (стабильность обратной АРУ и возможность получить идеальную характеристику в прямой АРУ) является применение схемы комбинированной АРУ (рис. 22.5).

Рис. 22.5. Схема комбинированной АРУ[1].

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 возрастание напряжения на выходе первого усилителя. АРУ приёмников импульсных сигналов (рис. 22.6).

Рис. 22.6. АРУ приёмников импульсных сигналов [1].

Следует помнить, что выработка управляющего напряжения в сети АРУ из-за наличия в ней инерционных звеньев (в частности ФНЧ) происходит с некоторой задержкой. Поэтому постоянная времени фильтра должна быть согласованна с частотой следования импульсов. АРУ можно выполнить и по обычной схеме без стробирования. Но в этом случае от АРУ требуется высокое быстродействие, которое обеспечивается малой постоянной времени фильтра (10^-4 – 10^-6) сек. Следствием этого может быть самовозбуждение приемника. Поэтому цепью АРУ нельзя охватывать более чем один каскад. Для получения достаточной эффективности регулировку приходиться осуществлять в нескольких каскадах самостоятельными цепями (рис. 22.7). Такие АРУ называются многопетлевыми.

Рис. 22.7. Структура многопетлевой АРУ.

В ряде специальных приемников, например, радиолокационных, применяют программные АРУ (ПАРУ). После посылки зондирующего импульса на вход приемника может поступить несколько импульсов, отраженных от объектов, расположенных на разном расстоянии от локатора. Чем ближе объект, тем ближе к зондирующему расположен отраженный импульс и тем больше его амплитуда. Если усиление радиотракта выбирать исходя из обеспечения приема более слабых сигналов, то импульсы от близких объектов приведут к перегрузке каскадов приемника и система защиты закроет его вход. Приемник потеряет способность принимать сигналы. Чтобы этого не было, необходимо изменять коэффициент усиления радиотракта по определенному закону (рис. 22.8).

Рис. 22.8 Закон изменения коэффициента усиления пр-ка с ПАРУ.

Об эффективности АРУ можно судить по характеристике, изображающей зависимость входного напряжения регулируемого усилителя от напряжения на входе приемника (рис. 22.9)

Рис. 22.9. Характеристика усилителя с АРУ.

Поскольку значения входного напряжения обычно изменяются в очень широких пределах их наносят в логарифмическом масштабе. Как известно, коэффициент усиления резонансного усилителя описывается выражением

Принципиально менять К₀ можно изменением любой величины, входящей в эту формулу. Наиболее распространенным способом является воздействие на крутизну S усилительных приборов. Но этот способ сопряжен с некоторым изменением резонансной частоты и формы частотной характеристики усилительного каскада, поскольку при изменении напряжения, например, на электродах транзистора, изменяются его входное и выходное сопротивления. Активная составляющая этих сопротивлений, вносимая в колебательный контур, влияет на его добротность, а реактивная – на резонансную частоту.

Основным показателем цепи с регулируемым коэффициентом усиления служит коэффициент регулирования γ, равный отношению максимального коэффициента к минимальному:

Если обозначить

и

то с учетом того, что в приемнике с АРУ

, ,

Какова должна быть величина коэффициента γ? Если, например, приемник должен принимать сигналы с U_вхmin=1мкВ, а при настройке на ближайшую мощную станцию должен обеспечивать прием без искажений сигнала U_вхmax=20мВ, то

Пусть при этом допустимый коэффициент изменения напряжения на выходе β=2. Тогда получим . В одном усилительном каскаде сложно получить изменение коэффициента усиления более чем в несколько десятков раз. При более значительных изменениях появляются заметные нелинейные искажения. Поэтому регулирование осуществляют в нескольких каскадах, расположенных ближе к входу усилительного тракта, где сигналы еще малы.

Как уже было сказано, проще всего менять коэффициент усиления можно путем изменения крутизны электронного прибора. Для этого надо менять напряжение смещения на управляющем электроде. Если усилитель транзисторный, то регулирующее напряжение подается в цепь эмиттера или базы (рис. 22.10). В схеме на рис. 22.10 (а) напряжение смещения на транзисторе U_бэ=U₀ – E_рег . По мере увеличения E_рег напряжение U_бэ уменьшается, что влечет за собой уменьшения тока Iко и крутизны S. Регулирующая цепь должна обеспечивать ток примерно равный Iэо. Если регулируется n каскадов, то ток регулировки и он должен быть достаточно большим.

а) б)

в) г)

Рис.22.10. Способы подачи E_рег на транзисторные усилители.

В схеме на рис.7б напряжение E_рег подается в цепь базы. При этом ток регулирования должен быть соизмерим с током базового делителя, который существенно меньше Iэо. Однако эта схема менее стабильна в работе, поскольку в ней отсутствует резистор в цепи эмиттера. Включение Rэ приводит к уменьшению эффективности регулировки, так как он обеспечивает стабилизацию не только при изменении температуры, но и при изменении E_рег. В схеме 7в регулирующее напряжение подается в цепь базы через фильтр АРУ. В усилителе по схеме 7г регулирующее напряжение вызывает перераспределения тока транзистора VT1 между VT2 и VT3.

С увеличением тока в VT2 ток в VT3 уменьшается и наоборот. С уменьшением части тока, ответвляющейся в VT3 уменьшается и переменная составляющая сигнала, что равносильно уменьшению крутизны S.

Регулирование коэффициента усиления каскада можно осуществлять и путем изменения Rэкв. Делается это различными способами. Два возможных варианта приведены на рис. 22.11.

а) б)

Рис. 22.11. Регулирование усиления путем изменения Rэкв.

В схеме 8а при E_рег˃Uк диод закрыт и контур не шунтируется. При E_рег˂Uк диод открывается и начинает шунтировать контур, что приводит к уменьшению Rэ, а следовательно и К₀. Однако при этом уменьшается и добротность контура, что приводит к изменению полосы пропускания усилителя. В схеме 8б в качестве регулирующего резистора используется полевой транзистор.

Коэффициент усиления можно изменять и путем изменения коэффициентов n₁, n₂. Для этого между усилительными каскадами включается регулируемый аттюнеатор. На рис.9а приведена схема регулируемого делителя на диодах, а на рис. 22.12 (б) роль делителя выполняет полевой транзистор.

а) б)

Рис. 22.12. Схема регулируемых аттенюаторов.

В схеме на рис.9а при │ E_рег │˂│ U₀│диоды VD1 и VD2 открыты. А диод VD3 закрыт, коэффициент передачи в этом случаи максимален. По мере увеличения │ E_рег │ динамическое сопротивление диода VD3 уменьшается, а следовательно, уменьшается и коэффициент передачи аттенюатора. В схеме 9б под действием регулирующего напряжения меняется сопротивление канала транзистора и, соответственно, коэффициент передачи.

Регулировать коэффициент усиления каскада можно путем изменения величины отрицательной обратной связи в усилителе (рис. 22.13).

Рис. 22.13. Схема усилителя с регулируемой ООС.

В обычных усилительных каскадах параллельно Rэ обычно включают Сэ большей емкости для устранения ООС по переменному току. Если в качестве емкости включить варикап, то путем изменения E_рег можно регулировать величину ООС и, следовательно, коэффициент усиления каскада.