Вопрос 4. Автоматическая регулировка усиления

В большинстве случаев сигнал на входе приемника изменяется в широких пределах и в соответствии с заданным изменением сигнала меняется и коэффициент усиления.

Задачей АРУ является поддержание уровня выходного сигнала при значительном изменении его на входе (обеспечение такого коэффициента усиления, который изменялся бы в зависимости от уровня входного сигнала).

Такая система должна иметь устройство, напряжение на выходе которого зависело бы от уровня сигнала в радиотракте.

В качестве этого устройства используется АД (амплитудный детектор) с ФНЧ. За счет АРУ диапазон изменения сигнала на выходе меньше, чем диапазон изменения сигнала на входе.

Количественная оценка диапазона работы АРУ:

γ=α/β (коэффициент регулирования), где α=U_ВЫХ/U_ВЫХном, β=U_ВХ/U_ВХном. Для создания большого коэффициента регулирования при ограниченных γ отдельных каскадов включают несколько каскадов: γ= γ₁⋅ γ₂…

Наиболее часто используется обратная система АРУ:

В этой схеме Е_рег получают из U_ВЫХ на выходе регулируемого усилителя (РУ).

Е_рег подается со стороны выхода в направлении вхо­да РУ.

Детектор АРУ (Д) обеспечивает напряжение Е_рег на его выходе, пропорциональ­ное амплитуде напряжения U_вых: Е_рег=К_ДU_вых.

Фильтр АРУ (Ф) отфильтровывает составляющие частот модуляции и пропускает медленно меняющиеся составляющие напряжения E_рег.

Цепь АРУ, которая состоит, только из детектора и фильтра, называют про­стой АРУ.

В высококачественных РПУ усилитель вклю­чают после детектора с ФНЧ. При наличии в цепи АРУ усилителя её называют усиленной.

Работа АРУ описывается характеристикой АРУ:

В случае простой АРУ имеет место снижение усиления при любом уровне сигнала.

Устраняет этот недостаток АРУ с задержкой, которая начинает действовать при превышении входным напряжением порогового.

Особенностью обратной регулировки является то, что она не позволяет получать идеальную характеристику АРУ: можно лишь приблизиться к ней, по­скольку для ее работы принципиально необходимо приращение вы­ходного напряжения ∆U_вых.

Если допустить, что АРУ идеальна, то ∆U_вых=0, при этом Epeг = const; Kо = const, регулировка отсутствует, а следовательно, U_вых должно возрастать.

Структурная схема прямой АРУ:

Цепь АРУ под­ключена ко входу РУ, напряжение регулиров­ки Ерег получается в результате детектирования входного напряжения.

Схема устраняет недостатки обратной АРУ. Прямая АРУ позволяет в принципе получить идеальную характеристику регулировки, 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. Прямая АРУ нестабильна, т.е. подвержена действию различных дестабилизирующих факторов. Если, например, из-за изменения температуры или напряжения источника питания коэффициент усиления K₀ регулируемого усилителя увеличится, то характеристика АРУ из идеальной превратится в характеристику с нарастающим U_ВЫХ.

Поэтому часто применяется комбинированная схема АРУ:

В этом случае рационально используются преимущества обеих схем АРУ: стабильность обратной АРУ и возможность получения иде­альной характеристики в прямой АРУ.

То, что идеаль­ная регулировка не достигается на практике, не имеет большого значения, так как пределы изменения U_ВЫХ невелики (3-6дБ для бытовой техники).

Структурная схема бесшумной АРУ:

Она обеспечивает в приемнике мак­симальное усиление тогда, когда принимается слабый сигнал. Это приводит к увеличению уровня шумового напряжения на выходе приемника.

Если E_РЕГ становится ниже определенного уровня, то цепь БШР (регулировки) отключает УЗЧ.

Коэффициент усиления можно регулировать следующим образом:

1) Изменение крутизны усилительного элемента;

2) Изменение коэффициента включения каскадов;

3) Изменение характеристического сопротивления контуров (в противоположных направлениях емкость и индуктивность контура);

4) Изменение коэффициента передачи фильтра:

а) изменение затухания

б) изменение коэффициента связи

в) расстройка колебательных контуров (во взаимно противоположных направлениях). Легко реализуема, но приводит к изменению АЧХ и ухудшению селективности.

5) Применение управляемых аттенюаторов.

Амплитуда сигнала на входе изменяется за счёт амплитудной модуляции или по случайному закону (замирание). Поэтому АРУ должно устранять замирание, но не должна реагировать на закон модуляции амплитуды. Это обеспечивается за счёт фильтра АРУ, который выполняется в виде RC цепи.

В реальном приемнике такой фильтр не полностью подавляет составляющие частоты модуляции. Это приводит к искажению сигнала.

Эти искажения проявляются в следующем:

1) изм-е коэф-та усиления с частотой модуляции приводит к изм-ю коэф-та модуляции самого сигнала;

2) напр-е на выходе усил-ля оказывается промодулированным 2-й гармоникой модулир. сигнала, а это приводит к нелинейным искажениям, появл. пост. составл. спектра, кот. до этого не было.

АРУ в приёмниках импульсных сигналов:

На схеме: ВУ–видео усилитель, Д_П–пиковый детектор. Такая система используется в телевизионных приемниках.

Для приёмников импульсных сигналов АРУ имеет следующие особенности:

1) импульсные сигналы детектируются дважды: а) детектором радиоимпульсов; б) пиковым детектором;

2) между импульсами могут возникнуть различного рода помехи, поэтому применяется стробирование, т.е. АРУ открывается на время действия полезных импульсов.

Быстродействующая АРУ служит для устранения перегрузки усилителей при действии мощной помехи. Для этой цели усилитель выполняется с переменным смещением; при мощной помехе цепь АРУ вырабатывает напряжение E_рег, смещающее р.т. транзистора усилителя влево (отриц. смещение на УЭ возрастает). При этом усилитель не перегружается и информация об импульсном сигнале не теряется. Отличительная особенность быстрой АРУ - высокая скорость ее срабатывания при мощной помехе; цепь быстрой АРУ инерционна для сигнала и срабатывает только от помехи. Постоянная времени фильтра быстрой АРУ во много раз меньше постоянной времени фильтра АРУ. Скачкообразное изменение входного сигнала приводит к переходным процессам в цепях АРУ Закон изменения входного напряжения в процессе установления мб апериодическим либо колебательным и зависит от типа ФНЧ в цепи АРУ. Для цепей первого порядка процесс установления обычно идет по экспоненциальному апериодическому закону. Параметры фильтра выбирают такими, чтобы процесс не был колебательным.