книги из ГПНТБ / Шафер, Д. В. Расчет, настройка и испытания транзисторных усилителей с автоматической регулировкой усиления

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

УСИЛИТЕЛИ С АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКОЙ УСИЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЕМ ЗАТУХАНИЯ ЦЕПИ МЕЖДУКАСКАДНОЙ СВЯЗИ

3.1. ОСОБЕННОСТИ СХЕМНОГО ПОСТРОЕНИЯ

Устройства АРУ изменением затухания цепи междукаскадной связи стабильнее транзисторных, а так­ же обеспечивают более глубокую регулировку. Эти уст­ ройства представляют собой однолибо двухступенные делители напряжения с изменяющимся сопротивлением продольного I(рис. 3.1а, б) либо поперечного (рис. 3.1 в, г)

Рис. 3.1. Схемы делителей напряжения с унрапляемон ве­ личиной затухания

плеча. Качественные и количественные хараіктеристтпси устройств АРУ на делителях напряжения с.продольным и поперечным включением управляемых сопротивлений различны; различны и методики их расчета. Поэтому эти устройства АРУ рассматриваются раздельно.

, В качестве управляемых сопротивлений в делителях напряжения используются полупроводниковые диоды, транзисторы, а также терморезисторы. При использова­ нии полупроводниковых диодов эффективность действия АРУ в основном определяется характером зависимости сопротивления диода переменному токуот протекающе­ го через него управляющего постоянного тока. При этом амплитуда переменного тока сигнала в цепи делителя АРУ зависит в основном только от динамического сопро-

56

тпвленйя диода, так как приложенное к нему управляю­ щее напряжение значительно больше напряжения сигна­ ла. В отличие от статистического сопротивления, равного, как известно, отношению приложенного к диоду постоян­ ного напряжения к протекающему через него току, дина­ мическое сопротивление в рабочей точке равно отноше­ нию малого приращения напряжёния AU к вызванному нм приращению тока AI:

ния цепи междуікаскадной связи. Максимальное относи­ тельное .изменение динамическаго сопротивления в широ'кой полосе частот при высокой температурной (ста­ бильности его значения обеспечивается у кремниевых точечных диодов ДЮЗ—Д106, Д223 и др. При измене­ нии управляющего тока через диод от 3—5 .мкА до. 1 .мА или приложенного к диоду напряжения от 0,35 В до 1 В у этих кремниевых диодов в зависимости от частоты от­

шает 30—50 (рис. 3.3в), а при указанном изменении управляющего напряжения значительно меньше (рис.

3.3г) и нестабильно ів интервале рабочих температур. Собственные емкости используемых для целей АРУ

57

Рис. 3.3. Зависимость динамического сопротивления от управляюще­ го тока и напряжения:

а), б) для диода ДЮЗ; в) г) для диода Д2Е

точечных кремниевых и германиевых диодов не превы­ шают 1—2 іпФ, поэтому существенное уменьшение дина­ мического сопротивления под влиянием этой емкости на­ блюдается на частотах более 500 кГц. Поскольку схе­ мы АРУ на управляемых делителях в основном исполь­ зуются в устройствах, работающих в диапазоне частот до 500 кГц, в дальнейшем для упрощения основных рас­ четных соотношений в них будет фигурировать только активная составляющая динамического сопротивления в предположении, что Яя~ 2 д.

При использовании диода в качестве регулирующего элемента в схеме АРУ рабочим участком его вольтамперной характеристики является наиболее нелинейная часть кривой, соответствующая максимальному относительно­ му изменению динамического сопротивления. Поэтому для уменьшения нелинейных искажений допустимая ам­ плитуда сигнала на диоде должна быть такой, чтобы при

53

положительном и отрицательном полупериодах сигнала динамические сопротивления диода были примерно оди­ наковыми.

В управляемых делителях напряжения рис. 3.1 а, б с ростом амплитуды входного сигнала диоды, включен­ ные в продольные плечи, по цепи управления запирают­ ся, поэтому нелинейные искажения сигнала в этих де­ лителях будут максимальными при минимальном токе ^управления, т. е. при положении рабочей точки у нача­ ла осей координат вольтамперной характеристики диода. Следовательно, выбор минимальной величины тока уп­ равления диода должен в основном определяться макси­ мальной амплитудой входного сигнала и допустимым коэффициентом гармоник. В практических схемах АРУ на точечных кремниевых диодах при максимальной ам­ плитуде входного напряжения порядка 20—30 мВ и до­ пустимом коэффициенте нелинейных искажений поряд­ ка 5—10% минимальный ток диода принимают равным 3—5 мкА. В случае применения германиевых диодов в указанном режиме управления допустимая амплитуда входного напряжения может быть большей. При вклю­ чении на івыходе управляемых делителей усилителя с ре­ зонансной нагрузкой допустимая максимальная ампли­ туда входного напряжения значительно увеличивается.

3.2.УСТРОЙСТВА АРУ НА ДЕЛИТЕЛЯХ

СПРОДОЛЬНЫМ ВКЛЮЧЕНИЕМ УПРАВЛЯЕМЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Типовая схема усилителя с АРУ приведена на рис. 3.4. В этой схеме при отсутствии входного сигнала

мится закрыть диод D.

59

Сопротивление диода три этом увеличивается, и боль­ шая часть наіпряжения івходаюто сигнала падает на «ем, в результате чего занижается напряжение інешосредственио на 'входе усилителя.

Практические варианты схем одно- и двухзвенных управляемых делителей с трансформаторным и реостат­ ным входами приведены на рис. 3.5. В однозвенных уп­ равляемых делителях і(рис. 3.5 а, б) напряжение началь­ ного смещения диодов UCM снимается с резистора Дс2Величина этого напряжения не должна изменяться в про-

Рис. 3.5. Схемы управляемых делителем напряжения с продоль­ ным регулируемым плечом; а), б) однозвенные; в), г) двухзвенные

цессе регулировки, так как возможное его увеличение при запирании диода будет противодействовать управ­ ляющему напряжению, ухудшая эффективность регули­ ровки. Для стабилизации С/см величину тока через рези­ стор Rr. 2 принимают в 3—5 раз большей максимального тока смещения диода. Управляющее напряжение Uy по­ дается через развязывающий резистор Rv. С ростом і!ъ диод Д запирается, а его сопротивление изменяется от минимального значения Дд.мші до максимального Дд.максПри этом напряжение сигнала делится между динами­ ческим сопротивлением диода и входным сопротивлением участка схемы в точках а и б. Это входное сопротивле-

60

ние схемы переменному току в варианте 3.5а складыва­

ется из сопротивлений параллельно включенных рези­ сторов Rci, R ca Явь Raz сопротивления тран­ зистора RnxT~< а в варианте 3.56 — из сопротивлений па­ раллельно включенных резисторов Rh Rai, Raz и R Dxt~-

Для уменьшения влияния изменяющегося динамиче­ ского сопротивления диода на входное сопротивление де­ лителя в схему последнего введен резистор Rm. Сопро­ тивление этого резистора принимают равным (2—3) RBX, *ггде R bx — входное сопротивление участка схемы в точ­ ках а, б. Из этих же соображений выбирают и сопротив­ ление резистора /?с2 в схеме рис. 3.56. При отсутствии на входе делителя элементов, обеспечивающих стабиль­ ность его входного сопротивления, глубина регулирова­ ния может уменьшиться, так как по мере запирания диода в связи с возрастанием его динамического сопротивления напряжение на выходе источника сигнала будет увеличи­ ваться. Последнее особенно явно выражено при работе от источника сигнала с большим внутренним сопротив­ лением. При работе от генератора напряжения с малым

Ra резистор R m в схему рис. 3.5а не включают.

В двухзвенных управляемых делителях (рис. 3,5 в, г) назначение элементов такое же, 'как и в однозвенных. Сопротивление резистора У?ш в схеме рис. 3.5г принима­ ют равным сопротивлению резистора Rz для получения ^равных токов смещения через диоды Ді и Дг. Глубина ''регулирования в приведенных схемах делителей одина­ кова, однако расход тока начального смещения в схеме

рис. 3.5s меньше.

Максимальный коэффициент деления напряжения од­ нозвенного управляемого делителя при запертом диоде определяется соотношением

где Rnx — входное сопротивление участка схемы (рис. 3.5а, б) в точках а, б.

Минимальный коэффициент деления напряжения это­ го делителя при открытом начальным током смещения диоде выражается как

61

ная относительному изменению коэффициента деления напряжения, может быть найдена по формуле

Из выражения (3.4) следует, что для полной реали­ зации относительного изменения динамического сопро­ тивления диода его минимальное динамическое сопро­ тивление должно быть значительно выше входного соп­ ротивления усилителя. Однако такое соотношение сопро­ тивлений Двх и і/?д.міш связано со значительным началь­ ным затуханием управляемого делителя, что не всегда приемлемо. Поэтому в практических схемах задаются на­ чальным затуханием порядка 2—6 дБ, что соответствует 20—50%’ реализации регулировочных возможностей дио­ да. При этом глубина регулирования может достигать

30дБ.

Вслучае применения двухзвенных делителей общая глубина регулирования равна произведению глубин регу­ лирования отдельных звеньев:

Глубина регулирования первого звена управляемого делителя обычно меньше, чем второго, так как при за­ пирании диода Ді входное сопротивление второго звена возрастает. В практических устройствах общая глубина регулирования двухзвенных делителей может достигать

55—60 дБ.

Полная схема АРУ с двухзвенным управляемым де­ лителем напряжения приведена на рис. 3.6. В этой схеме напряжение управления снимается с нагрузки детекто­ ра АРУ — резистора Ra- Ниже приведена методика ра­ счета устройства АРУ по схеме рис. 3.6. Для расчета по-

62

Рис. 3.6. Функциональная схема усилителя с АРУ на диодных уп­ равляемых делителях напряжения

лагают известными относительное изменение напряже­ ния сигнала на входе т, допустимое относительное из­ менение напряжения сигнала на выходе усилителя р, максимальную амплитуду входного сигнала .С/вх.макс, до­ пустимый коэффициент гармоник при максимальном входном сигнале Кг, а также полосу рабочих частот и низшую частоту модуляции Fu.

Расчет проводят в следующей последовательности:

£1. Определяют необходимую глубину регулирования

АРУ по ф-ле (1.1). Если N ^ 3 0 дБ (31,6 раз), то выби­ рают схему АРУ с одним управляемым делителем, если же N > 30 дБ — с двумя управляемыми делителями. При максимальной амплитуде входного сигнала порядка 30— 50 мВ для управляемых делителей используют точечные кремниевые диоды типов Д101—Д106 с удлиненным на­ чальным участком вольтамперной характеристики. В случае меньших значений максимального' входного нап­ ряжения можно использовать диоды типа Д223 с корот­ кой характеристикой. На характеристике выбранного диода 2д=ср('Н0д) (:рис. 3.36, г) определяют положение рабочей точки, в котором при максимальном входном на­ пряжении для обоих его полупериодов обеспечивается достаточно симметричное изменение динамического соп- ^ротивления диода. По оси ординат этой характеристики ^для выбранного режима находят максимальное динами­ ческое сопротивление диода ZÄ.MaKс- В соответствии с его значением по характеристике 2д=ф('/0д) і(рнс. 3.3а, в) определяют величину тока /од.тш , проходящего через

63

Диод н обеспечивающую это динамическое сопротивле­ ние.

2. Рассчитывают сопротивление резистора Rc2:

фидиент деления напряжения первого и второго звеньев управляемого делителя. Величиной /СД.МІШзадаются [по­

Из характеристики Zn = cp(IUn) определяют ток управ­ ления /од.,макс, при .котором сопротивление диода равно

•^д.зиин (Яя.МшО *

4. Определяют сопротивления резисторов Rm и R2:

явх~ - я с2 ’

где Рвх~ — входное сопротивление усилительного каска­ да переменному току, определяемое по формуле

5.Находят наіпряженпе смещения нарезисторе R02

5 кОм. Чем больше это сопротивление, тем чувствитель­ нее схема управления. Однако при Rg> 5—-10 кОм за счет тока температурной нестабильности транзистора Гз на резисторе R3 может возникнуть падение напряже­ ния, достаточное для ложного подзапирания диодов Д і и Д 2. Правильность выбора сопротивления резистора Rg . проверяется соотношением

64