Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ПОПОВ ОСНОВЫ АНАЛОГОВОЙ ТЕХНИКИ.pdf
Скачиваний:
943
Добавлен:
11.05.2015
Размер:
2.27 Mб
Скачать

Следует отметить, что схемы, представленные на рис. 8.14, предназначены для преобразования входных сигналов только положительной полярности. При необходимости обработки входных сигналов с отрицательной полярностью можно поменять направление включения диодов на обратное. Для обработки в одном устройстве положительных и отрицательных входных сигналов используют два встречно включенных нелинейных элемента. В качестве нелинейных элементов могут быть использованы биполярные транзисторы (их переходы эмиттер-база). При этом может быть увеличен на один – два порядка диапазон обрабатываемых сигналов и повышена точность обработки, но одновременно повышается и сложность устройства. Усилители (см. рис. 8.14) обычно используются в устройствах перемножения и деления аналоговых сигналов

ив устройствах шумоподавления в усилителях звуковой частоты.

9.РЕГУЛИРОВКИ В УСИЛИТЕЛЯХ

9.1.Общие положения

Взависимости от технического задания на усилитель и его функционального назначения в усилительном устройстве могут быть предусмотрены регулировки самых различных параметров: усилительных свойств, частотных свойств в полосе пропускания и ширины самой полосы пропускания, фазовых характеристик, динамического диапазона, входных и выходных сопротивлений

ит.д. Все эти регулировки могут быть ручными и автоматическими. Решения о необходимости использования ручных регулировок, об их глубине в каждом конкретном случае принимаются и осуществляются оператором, обслуживающим усилитель. Автоматические регулировки осуществляются в усилителе самостоятельно под воздействием изменения заданных условий функционирования. Регулировки могут быть плавными, когда регулируемый параметр меняется плавно и непрерывно, и дискретными, когда регулируемый параметр изменяется скачками. Кроме постоянно действующих регулировок в схему усилителя могут быть введены подстроечные элементы, используемые при первоначальной настройке, ремонте или профилактических работах. Наиболее часто в усилителях используются регулировки коэффициента усиления и регулировки частотных свойств. Последние, при их использовании в усилителях сигналов звуковой частоты, называются регулировками тембра.

265

9.2. Регулировка усиления

Предназначение регуляторов усиления:

предохранение усилителя от перегрузок в случае, когда динамический диапазон сигнала превышает динамический диапазон усилителя;

поддержание постоянной величины коэффициента усиления при замене активных элементов, старении деталей усилителя, изменении питающих напряжений и т.д.;

изменение величины выходного сигнала в нужных пределах.

Для целей изменения коэффициента усиления можно использовать потенциометрический делитель напряжения, обратную связь с переменной глубиной и изменение режима работы активных элементов.

Потенциометрический регулятор усиления может быть дискретным и плавным (рис. 9.1).

Принцип действия в обоих регуляторах один и тот же. Выходной сигнал u2 выделяется на нижнем плече делителя. Согласно второму закону Кирхгоффа, его величина пропорциональна величине сопротивления, образующего нижнее плечо. Коэффициенты передачи дискретного и плавного регулятора соответственно имеют вид

КД = u2

=

(R2 + R3 )

; КП =

u2

=

R 2

.

(9.1)

R1 + R2 + R3

u1

 

u1

 

 

 

R1 + R 2

 

Дискретный регулятор оказывается обычно сложнее плавного и используется чаще всего в измерительной аппаратуре.

Если регулятор усиления должен работать в широкой полосе частот, то приходится учитывать реактивные элементы, подключаемые к нижнему плечу делителя. Такой регулятор, как правило, строится по параллельной схеме (рис. 9.2), собираемой из нескольких делителей с соответствующими коэффициентами деления.

К нижнему плечу делителя оказывается подключенной входная емкость следующего каскада, которая и приводит к частотной зависимости коэффициента передачи. При этом полное сопротивление нижнего плеча с ростом частоты уменьшается и при активном сопротивлении верхнего плеча коэффициент деления падает с увеличением частоты. Для сохранения постоянного коэффи

266

 

R1

R1

 

 

u1 R

 

 

R2

u1

R2

u2

 

R3

u2

 

 

б

 

а

 

Рис. 9.1

циента передачи делителя во всем диапазоне частот верхнее плечо приходится шунтировать дополнительной емкостью, которая выбирается из условия равенства постоянных времени верхнего и нижнего плеча.

 

R3

C3

R1

C1

 

u1 R2

C2 R4

C4

u2

Рис. 9.2

Так, для ступенчатого регулятора, представленного на рис. 9.2, должны соблюдаться следующие равенства:

R1C1 = R2C2 и R3C3 = R4C4 .

(9.2)

Для облегчения наладки подобных делителей в емкости, шунтирующие как нижнее, так и верхнее плечо, обычно включают подстроечные конденсаторы.

В настоящее время ступенчатые регуляторы начали широко применяться и в усилителях сигналов звуковой частоты. Шаг деления в этом случае вы-

бирается небольшим (1 – 2дБ), а механические переключатели заменяются на-

267

бором электронных ключей, состояние которых фиксируется запоминающим устройством.

Плавная регулировка усиления осуществляется с помощью переменных сопротивлений, используемых в качестве делителей напряжения сигнала (см. рис. 9.1, б). При проектировании регуляторов громкости для усилителей сигналов звуковой частоты приходится дополнительно учитывать особенности слухового восприятия человека. Человеческое ухо устроено таким образом, что ощущение громкости звука у человека пропорционально логарифму уровня сигнала. Поэтому если взять в качестве регулятора громкости переменный резистор с линейной зависимостью сопротивления от положения движка, то будет казаться, что громкость очень быстро растет в самом начале поворота движка и почти не изменяется на всей второй половине его движения. Использование резистора с показательным законом изменения сопротивления в зависимости от положения движка позволяет получить ощущение равномерного изменения громкости, пропорционального углу поворота движка. Правда, получить такую зависимость на практике мешают сравнительно малые сопротивления, шунтирующие регулятор со стороны источника сигнала и нагрузки и нарушающие необходимый закон изменения сопротивления.

 

 

 

Вторая особенность регуляторов

СН

СВ

 

громкости связана с изменением частотной

u1

 

 

чувствительности человеческого уха при из-

RН

RР

u2

менении громкости сигнала. Дело в том, что

с понижением уровня сигнала чувствитель-

 

 

 

 

 

 

ность уха к верхним и нижним частотам ос-

 

Рис. 9.3

 

лабевает. Это ослабление быстро возрастает

 

 

 

с уменьшением громкости. Поэтому для со-

хранения равномерной частотной характеристики восприятия звука при уменьшении уровня громкости необходимо уменьшать сигнал на средних частотах сильнее, чем на нижних и верхних. Такой эффект достигается путем использования тонкомпенсированных регуляторов громкости (рис. 9.3). В этом регуляторе введены дополнительные цепи коррекции частотной характеристики. Конденсатор СВ осуществляет коррекцию в области верхних частот. Емкость СВ выбирается небольшой величины и поэтому не оказывает никакого влияния на область низких и средних частот. На высоких частотах полное сопротивление верхнего плеча делителя уменьшается, что обеспечивает

268

подъем частотной характеристики на этих частотах по отношению к области средних частот. Постоянная времени последовательного соединения CНRН выбрана таким образом, чтобы эта цепочка шунтировала нижнее плечо делителя в области средних и более высоких частот и тем самым создавала относительный подъем для низкочастотных составляющих спектра сигнала. По мере движения среднего вывода потенциометра вниз этот эффект выпячивания низких и высоких частот по отношению к средним усиливается. Глубина регулировки уровня, оцениваемая как отношение уровней сигнала в крайних положениях регулятора, для описанной выше регулировки громкости лежит в пределах 35 – 45дБ.

Плавное изменение уровня сигнала на выходе усилителя можно осуществить, меняя режим работы активного элемента или глубину обратной связи. Примеры таких схем представлены на рис. 9.4.

Всхеме на рис. 9.4, а производится плавная регулировка усиления за счет изменения положения рабочей точки. Увеличение сопротивления RP приводит к уменьшению тока через транзистор, снижению его крутизны и, следовательно, коэффициента усиления данного каскада. Глубина регулировки ограничена тем, что при значительном уменьшении тока эмиттера появляются дополнительные нелинейные искажения и увеличивается влияние собственных шумов.

Всхеме на рис. 9.4, б переменное сопротивление RP создает местную отрицательную обратную связь по току, последовательную по входу по переменной составляющей. Глубина обратной связи и соответственно коэффициент усиления зависят от величины сопротивления RP. Если в предыдущей схеме конденсатор СЭ подключить только параллельно сопротивлению RЭ, то в ней будут действовать оба метода и глубина регулировки значительно увеличится.

Управление коэффициентом усиления за счет изменения положения рабочей точки (см. рис. 9.4, в) широко применяется в системах автоматической регулировки усиления (АРУ). В этом случае в цепь базового делителя подается управляющее напряжение UУПР, величина которого определяется значением выходного сигнала.

269

RД

RK

 

RД

RK

 

 

 

 

 

 

 

RД

RK

CP

 

u2

 

 

u2

u2

 

 

 

CP

 

CP

 

 

 

 

 

 

СЭ

 

RИ RД

RЭ

 

RИ RД

RЭ

RИ

RД

 

 

 

 

 

 

RЭ

EИ

 

CЭ

EИ

 

EИ

CЭ

 

RP

 

 

RP

 

 

 

 

 

 

 

 

UУПР

а

 

 

б

 

 

в

 

 

 

Рис. 9.4

 

 

 

При увеличении выходного сигнала под воздействием входного, напряжение UУПР запирает транзистор, а при уменьшении - открывает, поддерживая выходное напряжение постоянным при очень значительных изменениях сигнала на входе.

Следует отметить, что все перечисленные методы регулировки усиления одинаково хорошо работают в усилителях на биполярных и полевых транзисторах.

RP

R1

u1

u1

u2

 

u2

 

R1

а

RP

б

 

Рис.9.5

270

Изменение глубины обратной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

связи с целью изменения коэффици-

 

 

 

 

R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ента усиления широко используется

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в усилителях на ОУ. Для осуществ-

u1

 

 

 

 

 

 

 

u2

ления такой регулировки одно из со-

 

 

RP

 

 

 

 

 

 

 

 

противлений в цепи обратной связи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

делают переменным (см. рис. 9.5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На рис. 9.5,а представлен ре-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2

гулятор на ОУ с инвертирующим

 

 

 

 

 

 

 

входом. Изменение положения пол-

 

 

 

 

 

 

Рис. 9.6

зунка сопротивления RP приводит к

изменению глубины обратной связи и соответственно к изменению коэффициента усиления. Одновременно изменение глубины обратной связи влечет за собой изменение входного и выходного сопротивлений. Отличие схемы (см. рис. 9.5, б) от предыдущей состоит в том, что в ней использовано неинвертирующее включение ОУ.

Определенный интерес представляет схема на рис. 9.6. Здесь переменное сопротивление выполняет две функции. Изменение положения движка приводит к изменению уровня сигнала на входе ОУ и одновременно к изменению глубины обратной связи. Таким образом, зависимость коэффициента передачи от угла поворота потенциометра становится показательной и в схеме можно использовать регулятор с линейно изменяющимся сопротивлением.

Можно избежать помех, возникающих из-за нестабильности подвижного контакта, если вместо механического регулирующего элемента использовать сопротивления, управляемые напряжением или током. В качестве таких управляемых переменных сопротивлений используются полевые транзисторы и оптроны [20]. Сопротивление канала полевого транзистора линейно зависит от напряжения между затвором и истоком, о чем свидетельствует семейство выходных характеристик, расходящееся веером при напряжении на стоке, близком к нулю [17]. Включив такое сопротивление в качестве нижнего плеча делителя в цепи обратной связи (рис. 9.7, а), и меняя управляющее напряжение на затворе UУПР, можно регулировать глубину обратной связи и соответственно коэффициент усиления. С увеличением отрицательного управляющего напряжения на затворе сопротивление канала возрастает, растет глубина обратной

271

связи и уменьшается коэффициент усиления каскада на ОУ. В схеме на рис. 9.7, б в качестве регулирующего элемента включен оптрон.

u1

u2

u1

u2

 

 

R

- UУПР

RОС

VO

 

 

UУПР

 

а

б

Рис. 9.7

Изменение тока через диод под воздействием напряжения UУПР приводит к изменению сопротивления оптрона, включенного в верхнее плечо делителя цепи обратной связи, и соответственно к изменению коэффициента усиления. Подобные схемы очень удобны для создания автоматических систем регулировки усиления и систем дистанционного управления коэффициентом усиления.

Место включения регулятора в схему (плавного и дискретного) определяется несколькими условиями.

RK

СР2

СР1

RР

Рис. 9.8

Чтобы усилитель не перегружался и чтобы уже в первых каскадах не возникали нелинейные искажения, регулятор усиления желательно ставить по возможности ближе к входу. Однако если регулятор громкости включить на входе первого каскада, то в этом случае при

272