8.4. Регулировка усиления

В реальных условиях приема мощность входных сигналов может изме­няться в десятки и сотни тысяч раз, однако на выходе РПУ необходимо обеспечить независимый уровень сигналов, определяемый условиями функ­ционирования оконечного устройства.

Для обеспечения нормальной работы ТНЧ и защиты их от перегрузки в РПУ применяют ручную (РРУ) и автоматическую (АРУ) регулировки усиле­ния.

Ручная регулировка осуществляется с помощью потенциометров, вклю­ченных в часть тракта, не охваченной АРУ. Обычно РРУ вводят в детек­торном каскаде или первых каскадах ТМЧ (рис.8.10). РРУ позволяет обеспечивать функционирование ТМЧ только при медленных и небольших изменениях уровня сигнала. При высоких скоростях и больших диапазонах изменений уровней сигналов используется АРУ.

Рис.8.10

Для управления коэффициентом передачи тракта формируется управля­ющее напряжение, зависящее от уровня принимаемого сигнала. Это напря­жение обычно получают в результате амплитудного детектирования на вы­ходе УПЧ. Оно также может быть получено в результате детектирования усиленного в дополнительном канале входного сигнала РПУ. Для выделения управляющего напряжения используют фильтры АРУ, по­лоса пропускания которых меньше минимальной частоты модуляции сигна­ла.

Регулировка усиления в усилительных каскадах осуществляется раз­личными способами:

1) режимные методы наиболее применимы в аппаратуре невысокого класса. Недостаток - изменение режима по постоянному току вызы­вает изменения входного и выходного импедансов каскадов.

2) применение управляемых аттенюаторов на входе;

3) регулировка глубины местной ООС.

Последние способы позволяют сущест­венно уменьшать влияние регулировок на АЧХ и нелинейные искажения сигнала.

Рис.8.11

Режимная регулировка усиления может производиться либо изменением тока эмиттера, либо изменением напряжения на коллекторе. На рис.8.11 приведена зависимости крутизны транзистора от тока эмиттера . Увеличение тока эмиттера I_э и, следовательно, тока коллектора I_к ≈ I_э приводит к уменьшению напряжения между коллектором и эмиттером U_кэ за счёт увеличения падения напряжения на сопротивлении R_э в цепи эмиттера и нагрузке по постоянному току в цепи коллектора (R_к в резистивных каскадах, сопротивление фильтра R_ф). Одновременное изменение I_э и U_кэ приводит к тому, что практически линейная на начальном участке зависимость при больших значения тока становится нелинейной и имеет форму кривой, показанной на рис.8.11 штриховой линией. При этом в области I_э1< I_э<I_э2 коэффициент усиления каскада практически не зависит от I_э.

Для АРУ могут быть использованы области I_э<I_э1 и I_э>I_э2. Требуемый характер изменения К₀ в зависимости от уровня входного сигнала U_вх может быть получен при строго определённом характере изменения I_э : при I_э<I_э1 с увеличенем U_вх ток эмиттера должен уменьшаться (обратная регулировка – рис.8.12), при I_э>I_э2 с увеличенем U_вх ток эмиттера должен увеличиваться (прямая регулировка – рис.8.13).

Рис.8.12

При прямой регулировке, когда транзистор работает в режиме насыщения, пределы изменения коэффициента усиления определяются уже не только изменеием проводимости Y₂₁, но и пределами изменения выходной проводимости транзистора g₂₂. В этом случае имеется наибольшая степень изменения коэффициента усиления при сравнительно небольшом изменении тока I_э. Одако этот режим характеризуется более высоким (по сравнению с обратной регулировкой) уровнем нелинейных искажений. Кроме того, при прямой регулировке заметно изменяется выходная ёмкость С₂₂ транзистора. При использовании резонансной нагрузки частотная характеристика каскада будет изменяться в процессе регулировки усиления, причём тем сильнее, чем выше частота сигнала (или чем меньше отношение С_н/С₂₂, где С_н – ёмкость нагрузки). Поэтому прямая регулировка применяется довольно редко.

Рис.8.13

При использовании обратной регулировки проводимость Y₂₁, исключая область I_э→0, в довольно широких пределах изменяется пропорционально току эмиттера I_э.

Изменение I_э может быть достигнуто путём подачи управляющего напряжения как на базу, так и на эмиттер транзистора. При регулировке по эмиттеру (рис.8.12) увеличивается стабильность работы, но значительно повышается мощность, потребляемая от источника управления. В управляющей цепи приходится использовать транзисторный детектор либо усилитель постоянного тока, что является существенным недостатком схемы. При подаче регулирующего напряжения на базу (рис.8.13) нужна сравнительно небольшая мощность, которая может быть получена непосредственно от детектора АРУ.

Управляющее напряжение U_упр подаётся на регулируемый транзистор через фильтр АРУ (R_ф, С_ф на рис.8.13), основное назначение которого заключается в фильтрации низкочастотного напряжения на выходе детектора АРУ. Постоянная времени фильтра τ_ф=R_ф∙С_ф обычно составляет 0,05 ÷ 0,5 с. Увеличение τ_ф приводит к ухудшению регулировки при быстрых изменениях сигнала. С уменьшением τ_ф на вход УСПЧ попадает напряжение звуковой частоты, что может привести к уменьшению глубины модуляции сигнала, т.е. к его демодуляции. Величина R_ф составляет, как правило, единицы – десятки кОм, С_ф – единицы мкФ.

Рис.8.14

Для увеличения эффективности АРУ в управляющую цепь после детектора иногда вводят усилитель постоянного тока (усиленная АРУ). В качестве такого усилителя может быть использован отдельный резистивный каскад либо один из каскадов УПЧ. В схеме рис.8.14 (так называемая «эстафетная АРУ») управляющее напряжение подаётся на первый каскад.

Пример регулируемого аттенюатора на полевом транзисторе приведен на рис.8.15. При изменении управляющего напряжения АРУ происходит изменение внутреннего сопротивления транзистора, вследствие чего меняется коэффициент передачи делителя.

Рис.8.15

Каскад усиления с регулируемой глубиной местной обратной связи приведен на рис.8.16. При отсутствии напряжения АРУ диод VD закрыт и резистор автоматического смещения R_и обеспечивает минимальное заданное значение коэффициента передачи каскада за счет глубокой местной ООС. При увеличении управляющего напряжения АРУ диод открывается и его внутреннее сопротивление уменьшается. В результате резистор автоматического смещения R_и шунтируется через разделительный конденсатор, обратная связь по переменному току ослабляется, и коэффициент передачи каскада возрастает.

Рис.8.16

По закону регулирования различают: сжиматели динамического диапазона сигнала и расширители, ограничители максимального и минимального уровней (последние называют пороговыми ограничителями или шумоподавителями).

В общем случае выходное и входное напряжение регулируемого звена связаны соотношением

, (8.24)

где k – коэффициент пропорциональности,

γ – коэффициент сжатия или расширения динамического диапазона сигнала ДД.

Для минимального и максимального уровней сигналов можно записать

, (8.25)

что после логарифмирования дает

или ДД_вых=γДД_вх . (8.26)

В зависимости от значения коэффициента γ различают пять типов регулируемых звеньев, амплитудные и регулировочные характеристики которых представлены на рис.8.17

Рис.8.17

В РПрУ система АРУ чаще всего применяется для обеспечения постоянства выходного напряжения, т.е.

. (8.27)

Из (8.27) следует, что коэффициент передачи регулируемого звена должен изменяться обратно пропорционально амплитуде входного сигнала (рис.8.17,б).

Если управляющее напряжение используется для регулировки в каска­дах, предшествующих детектору АРУ, такая регулировка называется АРУ с обратной связью или АРУ "назад" (рис.8.18,а), если же напряжение U_рег используется для для регули­ровки в последующих цепях, то имеет место АРУ с прямой связью или АРУ "вперед" (рис.8.18,б). В первом случае для регулировки в системе обязательно наличие сигнала рассогласования, что не позволяет реализовывать регулировочную харак­теристику, не зависящую от уровня входного сигнала. Во втором случае не только достижимо постоянство выходного уровня РПУ, но и реализу­ются произвольные регулировочные зависимости.

Комбинированная схема АРУ объединяет в себе АРУ с обратной связью и АРУ с прямой связью.

Детектор АРУ должен выделять составляющие несущего колебания, которые являются следствием модуляции входного сигнала дестабилизирующими факторами (нестабильность излучаемой мощности радиопередающей станции, изменение расстояния до источника сигнала, условия распространения радиосигнала, нестабильность коэффициента передачи радиотракта приемника до детектора) и не реагировать на модулирующее ко­лебание. В противном случае модулирующее колебание будет изменяться в такт с модуляцией сигнала, что приведет к уменьшению глубины модуля­ции и нелинейным искажениям.

Рис.8.18

При регулировке необходимо организовать определенный вид зависи­мости U_выхРПУ=f(E_A). При этом эффективность работы АРУ оцени­вается коэффициентом регулирования

, (8.28)

который показывает степень изменения сигнала на выходе системы по отношению к изменению входного сигнала.

Характеристики АРУ зависят от метода регулировки ("вперед", "назад") и от способа регулировки. Регулировка "вперед" позволяет получать иде­альную АРУ (рис.8.19, ломаная 4). Может быть применена для реализации расширителей динамического диапазона. Однако это требует введения допол­нительного канала усиления, высокой точности поддержания его коэффи­циента передачи и широкого динамического диапазона. Если точность не обеспечивается, то возможна регулировка по ломаной 5. Обратная регулировка (рис.8.19, ломаные 1, 2, 3) не критична к точности характеристик звеньев, но может работать не­устойчиво и не обеспечивает идеальных характеристик.

Рис.8.19

По способу регулирования различают простую, задержанную и усилен­ную АРУ. В простой АРУ напряжение сигнала детектируется в АД и после ФНЧ на R_фC_ф поступает на регулируемый каскад, так что усиление каскада уменьшается (рис.8.20). Эта АРУ удобно сочетается с АД в основном канале приемника. Недостатком АРУ является работа при малых сиг­налах, что приводит к неоправданной потере чувствительности в тракте РПУ (рис.8.19, кривая 2).

Задержанная АРУ (рис.8.21 и рис.8.19, кривые 1, 3, 4, 5) не имеет отмеченного недостатка, так как диод VD₁ заперт дополнительным смещением, которое задается R_д1 и R_д2 . В результате цепь АРУ не функционирует пока амплитуда сигнала на аноде VD₁ не превысит порога напряжения задержки U_з, а затем диод открывается и на регулирующий каскад поступает дополнительное смещение. Тогда VT₂ начинает открываться, а VT₁ подзапирается, что приводит к уменьшению коэффициента передачи каскада. Уровень сигнала на входе, соот­ветствующий началу работы АРУ называется порогом АРУ (рис.8.19). Сов­мещение детекторов для этой системы АРУ недопустимо, поэтому в схеме производится раздельное детектирование. В цепи АРУ используется па­раллельный детектор, так как точка подключения находится под напряже­нием питания.

Для усиленной АРУ характерно наличие дополнительных усилительных каскадов в канале формирования управляющего напряжения (рис.8.18,а), амплитудная характеристика благодаря этому приближается к идеальной (рис.8.19, кривая 3).

Рис.8.20

Рис.8.21