Sheloil.ru

Шелл Оил
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Принцип автоматической регулировки усиления в приемниках (АРУ)

Принцип автоматической регулировки усиления в приемниках (АРУ).

Напряжение входного сигнала приёмника может изменяться в очень больших пределах на 40…80 дБ (10 2 …10 4 раз), что вызывает изменение уровня, а, следовательно, и мощности сигнала на выходе приёмника. Для защиты оконечных устройств от перегрузки необходимо регулировать усиление приёмника в таких же пределах. Ручная регулировка усиления позволяет обеспечить нормальную работу приёмника только при очень медленных изменениях уровня входного сигнала, например, при перестройке с одной радиостанции на другую, да и то – сопряжена с эксплуатационными неудобствами. При больших скоростях изменения уровня входного сигнала, например при быстрых замираниях радиоволн, необходимо использовать автоматическую регулировку усиления (АРУ).

Таким образом, АРУ должна обеспечить относительное постоянство напряжения сигнала на выходе детектора и приёмника при изменении напряжения сигнала на входе РПУ.

Рассмотрим наиболее часто применяемую инерционную систему АРУ непрерывного действия с обратным регулированием (за счёт обратной связи по постоянному току) (Рис.2).

Рис.2 Структурная схема АРУ.

Приведённая на Рис.2 схема АРУ обеспечивает уменьшения усиления УРЧ и УПЧ при увеличении уровня входного сигнала UВХ и, наоборот, увеличение усиления при снижении уровня сигнала. Регулировка осуществляется за счёт отбора энергии полезного сигнала UС и преобразования его в постоянное регулирующее напряжение UРЕГ, изменяющееся пропорционально амплитуде входного сигнала UВХ. Этим напряжением регулируется усиление каскадов УРЧ и некоторых каскадов УПЧ так, чтобы уровень выходного напряжения UВЫХ практически не изменялся.

Сигнал промежуточной частоты UС = UПР с выхода УПЧ детектируется амплитудным детектором АРУ (АДАРУ) и фильтруется в ФНЧ с постоянной времени tФНЧ = 0,1…0,3 сек.

Большее значение tФНЧ > 0,3 сек приведёт к недопустимому увеличению инерционности системы АРУ, что будет заметно на слух при резком изменении уровня входного сигнала.

Меньшее значение tФНЧ < 0,1 сек, из-за недостаточной фильтрации звуковых частот может привести к демодуляции сигнала и появлению искажений.

Регулировка усиления каскадов может осуществляться различными способами:

— изменением крутизны характеристики усилительных элементов (КU = S RН);

— изменением сопротивления нагрузки усилительных элементов (КU = S RН);

— изменением напряжения питания усилительных элементов (КU

Два последних способа менее эффективны, так как пределы регулировки усиления не превышают 2…4 раза на один каскад. Регулировка за счёт изменения режима работы транзистора по базовой цепи (изменением крутизны входной динамической характеристики) позволяет изменять усиление каскада в 8…10 раз.

Для этой цели разработаны специальные транзисторы с переменной крутизной, в которых растянутый начальный участок входной динамической характеристики позволяет плавно и в широких пределах изменять её крутизну (Рис.3). К таким транзисторам можно отнести ГТ328, ГТ346, КТ3127, КП307 и много других.

На Рис.3 видно, что при увеличении начального базового смещения U’ > U рабочая точка перемещается на участок с большей крутизной входной динамической характеристики. При этом амплитуда базового тока увеличивается I’Бm > IБm за счёт увеличения усиления транзистора.

Изменение U происходит автоматически по системе АРУ при помощи регулирующего напряжения UРЕГ.

Рис.3 Пояснение принципа регулировки усиления транзистора изменением напряжения базового смещения U.

При выборе каскадов для регулировки усиления в системе АРУ необходимо учитывать следующее:

1. Амплитуда усиливаемого сигнала должна быть малой, чтобы использование нелинейных участков характеристик транзисторов не привело к появлению нелинейных искажений. С этой точки зрения пригодны все каскады УРЧ и первые каскады УПЧ.

2. Нельзя использовать в качестве регулируемых узкополосные полосовые усилители с нагрузкой в виде ФСС или пьезофильтров. Значительное изменение режимов работы транзисторов может привести к изменению межэлектродных ёмкостей транзистора, а следовательно к расстройке избирательной системы.

3. Нельзя регулировать усиление в смесительных каскада преобразователей частоты, так как при этом нарушается оптимальный режим их работы.

На Рис.4 приведены амплитудные характеристики приёмника для различных типов АРУ.

Если в приёмнике отсутствует АРУ, то зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного UВЫХ = ƒ(UВХ) соответствует кривой 1. При слабых сигналах она линейна, а при сильных в последних каскадах приёмника наступает перегрузка и усиление приёмника уменьшается, что приводит к появлению искажений.

При наличии простой АРУ (кривая 2) регулирующее напряжение создаётся и используется при любых амплитудах входного сигнала. Недостатком простой АРУ является то, что усиление приёмника снижается не только для сильных сигналов, но и для самых слабых (хотя и в меньшей степени), для приёма которых необходимо использовать полное усиление приёмника.

Рис.4 Амплитудные харктеристики приёмника. 1 – без АРУ; 2 – с простой АРУ; 3 – при задержанной АРУ; 4 – при задержанной и усиленной АРУ.

Этот недостаток устраняется в задержанной АРУ (кривая 3), где регулирование начинается тогда, когда напряжение на входе приёмника достигнет определённого уровня. Подобный режим можно получить, если подать на диод детектора АРУ некоторое запирающее напряжение, называемое напряжением задержки UЗАД. Его обычно выбирают равным амплитуде напряжения на входе детектора, которое соответствуюет номинальной чувствительности приёмника UЗАД = UВХ.МИН. Таким образом при увеличении уровня сигнала от 0 до UВХ.МИН система АРУ не действует и увеличение выходного напряжения происходит по кривой 1. После того как уровень сигнала превысит UЗАД, начинает действовать АРУ и выходное напряжение будет изменяться далее по кривой 3. Для регулирования усиления в высокочувствительных каскадах УРЧ применение АРУ с задержкой обязательно.

Читайте так же:
Jonsered 2035 turbo регулировка карбюратора

Для улучшения стабилизирующего действия системы АРУ в её шину вводят дополнительные усилители постоянного тока УПТ. Такая АРУ называется задержанной и усиленной (кривая 4).

Эффективность АРУ характеризуется следующими показателями:

— величиной изменения входного напряжения Д= UВХ.МАХUВХ.МИН;

— допустимой величиной изменения выходного напряжения В = UВЫХ.МАХUВЫХ.МИН;

— величиной изменения коэффициента усиления системой АРУ: Д ⁄ В (раз).

Для приёмников высшей группы сложности по отечественному стандарту Д = 40 дБ (100 раз), В = 6 дБ ( 1,7 раз).

Схема простой АРУ.

В незадержанной АРУ (Рис.5) детектор приёмника и детектор АРУ можно совместить в одном VD1C5R5C6. Включение диода VD1 позволяет выделить на нагрузке R6С6 постоянную составляющую напряжения отрицательной полярности, из которого после фильтрации в ФНЧ RАРУСАРУ образуется регулирующее напряжение – UРЕГ.

Начальное базовое смещение +U транзистора VT1 первого каскада УПЧ образуется как сумма положительного напряжения +UПИТ, подаваемого от источника К через R2, L2 и отрицательного регулирующего напряжения — UАРУ. Причём +U = +UПИТ – UАРУ, т.е. IUПИТI > IUАРУI.

Рис.5 Принципиальная схема простой АРУ.

Чем больше амплитуда принимаемых сигналов UВХ, тем больше регулирующее напряжение – UАРУ, что приводит к уменьшению начального базового смещения +U, крутизны характеристики транзистора S и усиления каскада УПЧ КU. В результате компенсации, выходное напряжение приёмника UВЫХ будет стабильно и мало зависеть от изменения уровня входного сигнала UВХ.

Постоянная времени АРУ, как было отмечено раньше, tАРУ = RАРУCАРУ = 0,1…0,3 сек. Учитывая, что в биполярных транзисторах базовый ток I относительно большой и принимает значения десятки и сотни мкА, то сопротивление резистора RАРУ не может быть больше нескольких десятков кОм (по схеме RАРУ = 20 кОм). Конденсатор САРУ рассчитывается из соотношения САРУ = (0,1…0,3 с) ⁄ RАРУ = 10 мкФ.

Использование в регулирующих каскадах полевых транзисторов с большим входным сопротивлением позволяет увеличить RАРУ до 1…1,5 МОм. Тогда номинал САРУ составит всего 0,1 мкФ.

Сопротивление резистора обратной связи R1 должно быть незначительным, чтобы ООС не снижала эффективность регулировки системы АРУ.

Из-за уменьшении чувствительности приёмника при слабых сигналах простую АРУ нельзя использовать для регулировки усиления в каскадах УРЧ, так как при этом снижается отношение сигнал/шум.

Дата добавления: 2016-07-05 ; просмотров: 14134 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Операционный Усилитель Схемы Подключения

Достаточно немножко попрактиковаться и попробовать собрать эти схемы и посмотреть что происходит с входными и выходными сигналами.


Схема вычитания Эта схема дает возможность создания разности двух сигналов на входе, которые могут быть усилены.

Обычно Rвых не превосходит сотен Ом.
Операционный усилитель для чайников



Схемы источников двуполярного питания Примеры на батарейках я привел для примера, чтобы было более понятно.

В результате схема становится независимой от коэффициента усиления, ее свойства полностью управляются отрицательной обратной связью. Исследование схемы провести достаточно просто.

В силу принципа виртуального нуля потенциал инвертирующего входа ОУ равен Uвх.

Эта система включает в себя цифровую и аналоговую электронику. Используемые обычно для этих целей усилители постоянного тока, помимо малого дрейфа, должны иметь большой коэффициент усиления и допускать охват их глубокой обратной связью без нарушения устойчивости.

В большинстве корпусов электронных схем нумерация выводов осуществляется в направлении против часовой стрелки со стороны крышки корпуса.

Предварительный усилитель на отечественной …

Однополярное питание операционных усилителей

Если за точку отсчета будет принят положительный полюс батарейки а измеряющий щуп был подключен к минусу то любой вольтметр нам покажет В. Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова. Схемы включения операционных усилителей, описанные выше, не являются исчерпывающими, а лишь только призваны дать основные понятия. При превышении напряжения на входе величины основного опорного напряжения, на выходе получается наибольшее напряжение, которое равно положительному питающему напряжению.

Поэтому интегратор может действовать в качестве активного фильтра низких частот.

И в результате мы получаем К сожалению инвертирующий усилитель обладает одним явным недостатком — низким входным сопротивлением, которое равняется резистору R1.

Как следует из схемы на рис.

Скорее она связана с неприятностями, так как в схеме с отрицательной ОС на высокой частоте могут возникать достаточно большие сдвиги по фазе, приводящие к возникновению положительной ОС и нежелательным автоколебаниям. Усилитель с единичным коэффициентом усиления называют иногда буфером, так как он обладает изолирующими свойствами большим входным импедансом и малым выходным.

Более подробно смещение ОУ при однополярном питании рассматривается в [1]. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе.

Здесь было бы уместно вспомнить транзистор включенный по схеме с ОЭ. В современной измерительной аппаратуре в качестве линейных усилителей используются операционные усилители.
Электроника от простого к сложному. Урок 8. Первые схемы на оу. (PCBWay)

LM358 цоколевка

Очень малое сопротивление Rвых позволяет подключить к выходу ОУ низкоомную нагрузку, при этом потери мощности на выходном сопротивлении ОУ будут незначительны.

Как такое может быть? Так как, благодаря обратной связи, в точке А сохраняется приблизительно нулевой потенциал, входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя равно R Это приводит также что коэффициент усиления для каждого входа будет равен 1.

Чем глубже отрицательная обратная связь, тем меньше внешние характеристики усилителя зависят от характеристик усилителя с разомкнутой обратной связью без ОС , и в конечном счете оказывается, что они зависят только от свойств самой схемы ОС.

Читайте так же:
Регулировка опережения зажигания москвич 412

Очевидно, что если U2 на рис. Здесь напряжение смещения равно половине напряжения питания. А такое быть может! Причем напряжения могут быть как положительными так и отрицательными.

Как следует из схемы на рис. Диод не обеспечивает достаточной точности преобразования, так как зависимость между падением напряжения и током диода не совсем логарифмическая. Например, сдвоенный ОУ ОР как нельзя лучше подходит для этой схемы.


Однако в этой схеме могут применяться только ОУ с полным размахом входных и выходных напряжений Rail-to-Rail. Если источник входного сигнала не соединен с общей шиной рис. Что из этого получилось, показано на рисунке 7. Для этого нужно уменьшать напряжение на выходе. Направление стрелок на графике указывает направление перемещения гистерезиса.

Неспроста ОУ делятся на ОУ общего применения и высокоточные, прецизионные. Трансформатор понижает ток до 30 вольт. Мобильные электронные системы с питанием от батарей получают все большее распространение. Это может привести к нарушению работы оборудования.

В этой схеме инвертирующий повторитель на ОУ2 создает на нижнем полюсе нагрузки RL потенциал, противофазный по отношению к потенциалу верхнего ее полюса. С входным сопротивлением все, вроде, ясно: он получается равным сопротивлению резистора R1, а вот выходное сопротивление придется посчитать, по формуле, показанной на рисунке Недостаток этой схемы состоит в том, что она обладает малым входным импедансом, особенно для усилителей с большим коэффициентом усиления по напряжению при замкнутой цепи ОС , в которых резистор R1, как правило, бывает небольшим. Для вычисления усиления применяют формулу: Отсюда видно, что усиление операционника не зависит от сопротивления R3, поэтому можно обойтись без него. Причем коэффициент усиления мы можем задать любой.
Управление нагревом

Аналоги LM358

Инвертирующее включение рис 1. При более низком синфазном входном напряжении поведение входного каскада становится непредсказуемым.

Инвертирующие операционные усилители имеют простую схему: Такие операционные усилители стали популярными из-за своей простой конструкции.

Это означает сохранение фазы сигнала. Вследствие этого вместо диодов применяют транзисторы в диодном включении или с заземлённой базой.

Усилители, имеющие вход с полным размахом, схемотехнически заметно сложнее, чем обычные. Разность напряжений между входами идеального ОУ равна нулю, то есть если один из выводов соединён с землёй, то и второй вывод имеет такой же потенциал. Здесь используется инверсное включение резистивной матрицы R-2R. Это приводит также что коэффициент усиления для каждого входа будет равен 1.

Аналоги LM358

Из схемы ясно, что оба дифференциальных усилителя входного каскада управляются одновременно. Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов. Для получения синусоидальной формы выходного сигнала используют несколько способов построения схем.

Других преимуществ, кроме возможности работы с широким диапазоном входного синфазного сигнала, они не имеют. Аналогичное ограничение накладывается на выходной диапазон устойчивости источника тока на основе операционного усилителя. Такого высокого результата вряд ли удастся достигнуть с обычным эмиттерным повторителем. На вторичной обмотке сделано ответвление, причем количество витков до этого ответвления равно числу витков после ответвления. Это позволяет усилителю выдерживать при однополярном питании входное синфазное напряжение до —15 В.

Но в этом есть смысл, ведь вспомним свойство операционника, он обладает высоким входным сопротивлением и низким выходным. Сигнал на выходе не изменится пока сигнал на входе не опустится менее -1,36В. Повторитель выдает на выходе то напряжение, которое было подано на его вход.

В реальных же ОУ изменение синфазного входного напряжения вызывает изменение правда, весьма незначительное выходного напряжения. Обычно Uсдв имеет значение 10 — мВ.
Лекция 54. Усилитель неинвертирующего типа на операционном усилителе.

Автоматическая регулировка усиления

Автоматическая регулировка усиления, АРУ (англ. automatic gain control , AGC ) — процесс, при котором выходной сигнал некоторого устройства, как правило электронного усилителя, автоматически поддерживается постоянным по некоторому параметру (например, амплитуде простого сигнала или мощности сложного сигнала), независимо от амплитуды (мощности) входного сигнала. В аппаратуре, использующейся для прослушивания радиовещательного эфира, АРУ также называют устарелым термином автоматическая регулировка громкости (АРГ), а в приёмниках проводной связи — автоматической регулировкой уровня. В импульсных приёмниках (радиолокационных и других) применяют АРУ, учитывающие особенности работы в импульсном режиме.

АРУ применяется для исключения перегрузки выходных каскадов приёмников при больших входных сигналах. Используется в бытовой аппаратуре, в приёмниках спутников связи и т. д. Также, существует ручная регулировка усиления (РРУ), выполняется на пассивных или активных (электронных) радиоэлементах или с помощью аттенюаторов. [1]

В 1925 Гарольд Олден Уилер изобрел автоматическую регулировку громкости (АРГ) и получил патент. Карл Кюпфмюллер [en] издал анализ систем АРУ в 1928. [2] К началу 1930-х все бытовые радиоприемники включали автоматическую регулировку громкости. [3]

Существует три типа АРУ: простая, усиленно-задержанная и просто задержанная. Или по типу сигнала схемы АРУ бывают двух типов:

Читайте так же:
Как отрегулировать зажигание на ямз 236не2

Также, если искажения сигнала не важны, применяют схему ограничителя.

Напряжение сигналов, поступающих на вход приёмника, как правило значительно меняется: из-за различия передаваемой мощности передатчиков и расстояний их от места приёма, замираний сигналов при распространении, резкого изменения расстояний и условий приёма между передатчиком и приёмником, установленными на движущихся объектах (самолётах, автомобилях и т. д.), и других причин. Это приводит к недопустимым колебаниям или искажениям сигналов в приёмнике. Система АРУ стремится минимизировать различия напряжения выходного и входного сигнала приёмника. Это осуществляется посредством цепей, которые передают выпрямленное детектором регулирующее напряжение на базы транзисторов, усилителей высокой, промежуточной частоты и преобразователя частоты, которые уменьшают их усиление с увеличением напряжения сигнала на входе и наоборот: происходит компенсация в приёмнике изменений напряжения входных сигналов. Основные параметры систем АРУ:

  • Динамический диапазон (дБ) — это глубина изменения входного сигнала (разница между минимальным и максимальным сигналом), при котором ещё выходной сигнал находится в допустимых пределах;
  • Время срабатывания АРУ (дБ/с) — отражает скорость реакции АРУ на скачок входного сигнала. Данный параметр равен бесконечности (нулевое время срабатывания) для ограничителя сигнала.

Важным свойством системы АРУ является наличие выхода, показывающего уровень входного сигнала (невозможно сделать для ограничителя).

Обратная

Эта схема получила такое название, из-за того, что управляющее напряжение (Uупр) подается со стороны выхода в направлении входа РУ. Пропорционально уровню входного сигнала обеспечивается управляющее напряжение, благодаря коэффициенту передачи КД детектора АРУ (ДЕТ): Uупр = КД ⋅ Купр ⋅ Uвых. Фильтр АРУ (ФНЧ) отфильтровывает составляющие частот модуляции и пропускает медленно меняющиеся составляющие напряжения Uупр. Цепь АРУ называется простой, если она состоит только из детектора и фильтра. В цепь АРУ может включаться усилитель, устанавливаемый после детектора (УПТ).

Прямая

Входное напряжение Uвх детектируется, и за счёт этого формируется управляющее напряжение Uупр. Выходное напряжение получается путём умножения Uвх на коэффициент усиления Ko. Таким образом, при увеличении Uвх уменьшается Ko; при этом их произведение может оставаться постоянным, что позволяет реализовать идеальную характеристику АРУ, но практически добиться этого не удается. Прямая схема АРУ имеет некоторые существенные недостатки, один из которых состоит в необходимости включать перед детектором в цепи АРУ дополнительный высокочастотный (ВЧ) усилитель с большим коэффициентом усиления, прямая АРУ также нестабильна, то есть подвержена воздействию различных дестабилизирующих факторов. В связи с этим она нашла ограниченное применение.

Пассивная

Пассивные АРУ-устройства, не потребляющие электрическую энергию, то есть не имеющие в своём составе источников тока. Как правило, такие пассивные АРУ выполняются в виде аттенюаторов, каждый из резисторов которого представляет собой термосопротивление (термисторы). С повышением температуры сопротивление увеличивается, что вызывает уменьшение вносимого ослабления аттенюатором. И, наоборот, при понижении температуры окружающей среды ослабление аттенюатора увеличивается.

АРУЗавтоматическая регулировка уровня записи в устройствах магнитной звукозаписи.

В общем случае АРУЗ выравнивает амплитуду звукового сигнала для записи равномерного и качественного звука.

Автоматическая регулировка уровня записи применяется в съемочной технике и других устройствах магнитной звукозаписи, используемой в видеопроизводстве для предотвращения проблем ручной регулировки уровня записи звука. При ручной регулировке уровня записи звука необходимо постоянно следить за индикатором звука и устанавливать приемлемый уровень записи звука согласно уровню принимаемого звукового сигнала. Это отвлекает от работы с визуальным содержанием кадра. При этом даже при постоянном слежении за индикатором записи звука избежать кратковременных перегрузов или, наоборот, потери звуковой информации не удаётся. Ручное регулирование уровня записи трубет временных затрат, что негативно сказывается на результатах работы.

Приручаем нестабильный ОУ. Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой

На сайте нашего партнера компании Компэл опубликованы главы руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ). Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях. Представляем вашему вниманию очередные главы из него.

Приручаем нестабильный ОУ

В предыдущей публикации я рассмотрел две наиболее распространенные причины возникновения колебаний или нестабильности в схемах с операционными усилителями. При этом исходной причиной этих негативных явлений была задержка или сдвиг фазы в цепи обратной связи.

Простой неинвертирующий усилитель может быть неустойчивым или иметь чрезмерное перерегулирование и осцилляции, если сдвиг фазы или задержка, создаваемые входной емкостью ОУ (плюс некоторая паразитная емкость) совместно с сопротивлением цепи обратной связи, слишком велики (рисунок 29).

Чрезмерное превышение выходного сигнала и осцилляции указывают на возможную неустойчивость

Рис. 29. Чрезмерное превышение выходного сигнала и осцилляции указывают на возможную неустойчивость

Можно немного улучшить ситуацию за счет уменьшения паразитной емкости на инвертирующем входе, например, уменьшив площадь проводника на печатной плате. Однако для конкретного операционного усилителя входная емкость (дифференциальная и синфазная) представляет собой фиксированное значение – с ней ничего поделать нельзя. Тем не менее, можно пропорционально снизить сопротивление резисторов в цепи обратной связи, чтобы сохранить коэффициент усиления без изменений.

Уменьшение сопротивлений резисторов ОС перемещает полюс, созданный входной емкостью, в область более высоких частот и снижает постоянную времени. В этом примере уменьшение сопротивлений резисторов до 5 кОм и 10 кОм позволяет добиться явного улучшения, но все же сохраняет примерно 10-процентное перерегулирование и колебания. Такое решение также увеличивает нагрузку на операционный усилитель, поэтому невозможно бесконечно идти по этому пути. Сумма двух резисторов – это нагрузка на ОУ, и она не должна быть также слишком низкой.

Читайте так же:
Регулировка угла зажигания змз 406 карбюратор

Лучшим решением проблемы в данном случае, скорее всего, будет использование дополнительного конденсатора Cc, подключенного параллельно с R2 (рисунок 30). Если R1 × Cx = R2 × Cc, то делитель напряжения оказывается скомпенсированным, и коэффициент импеданса является постоянным для всех частот. В таком случае фазовый сдвиг или задержка в цепи обратной связи будет мала.

Конденсатор Cc, подключенный параллельно с R2, позволяет избежать фазового сдвига в цепи обратной связи

Рис. 30. Конденсатор Cc, подключенный параллельно с R2, позволяет избежать фазового сдвига в цепи обратной связи

Вы можете сравнить цепь обратной связи в ОУ с компенсированным щупом в осциллографе (рисунок 31). Там используется та же концепция. Переменный конденсатор в щупе позволяет выполнять выравнивание постоянных времени. Можно заметить, что отклик этого щупа никогда не выглядит неустойчивым, даже если он настроен неправильно. Почему? Потому что он не входит в цепь обратной связи.

Цепь обратной связи очень похожа на компенсированный щуп в осциллографе

Рис. 31. Цепь обратной связи очень похожа на компенсированный щуп в осциллографе

В схеме на рисунке 30, как и при калибровке щупа осциллографа, может потребоваться подстройка конденсатора Cc. Точная величина Cx не всегда известна из-за наличия различных паразитных емкостей. Кроме того, может понадобиться настройка реакции схемы в соответствии с заданными требованиями, например, с небольшим перерегулированием для повышения скорости и пропускной способности.

Другой распространенной причиной неустойчивости является емкостная нагрузка операционного усилителя. Опять же, в этом случае возникает фазовый сдвиг в цепи обратной связи (задержка в цепи обратной связи), который является корнем проблемы. Здесь сложность заключается в том, что выходной резистор разомкнутого контура представлен внутренним сопротивление операционного усилителя. Невозможно включить компенсирующую емкость параллельно с этим резистором. На самом деле это не совсем резистор, это – эквивалентное выходное сопротивление внутренней схемы ОУ.

Вернитесь к схеме вашего последнего неустойчивого усилителя. Можете ли вы объяснить причину проблем с задержкой обратной связи?

Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой

Я оценивал устойчивость операционных усилителей, анализируя, каким образом фазовый сдвиг (его можно назвать также задержкой) в цепи обратной связи приводит к возникновению колебаний. Поднятая в статьях «Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины» и «Приручаем нестабильный ОУ» проблема с устойчивостью при емкостной нагрузке довольно непроста.

Здесь главным источником проблем становится выходное сопротивление операционного усилителя с разомкнутой обратной связью (Ro), которое на самом деле не является резистором в буквальном смысле этого слова. Это эквивалентное сопротивление, зависящее от внутренней схемы ОУ. Невозможно изменить его без изменения самого операционного усилителя. Пусть CL – емкость нагрузки. При работе с такой емкостью вы автоматически получаете полюс, определяемый значениями Ro и CL. Полюс на частоте 1,8 МГц в контуре обратной связи 20 МГц операционного усилителя с G = 1 способен вызвать проблемы. Это хорошо видно на рисунке 32.

Полюс 1,8 МГц в контуре обратной связи 20-МГц операционного усилителя с G = 1 (слева) вызывает нежелательные осцилляции

Рис. 32. Полюс 1,8 МГц в контуре обратной связи 20-МГц операционного усилителя с G = 1 (слева) вызывает нежелательные осцилляции

Существующие решения этой проблемы основаны на одном и том же принципе – они замедляют работу усилителя. Представьте: контур имеет фиксированную задержку, определяемую Ro и CL. Чтобы работать с такой задержкой, усилитель должен реагировать медленнее, чтобы не «проскакивать» требуемое значение выходного напряжения.

Хорошим способом замедления работы ОУ является увеличение коэффициента усиления. Более высокий коэффициент усиления уменьшает полосу пропускания усилителя с замкнутым контуром. На рисунке 33 показано, как OPA320 работает с той же емкостной нагрузкой 1 нФ, но с коэффициентом усиления 10. Реакция на ступенчатое изменение значительно улучшилась, но по-прежнему остается посредственной. Если увеличить коэффициент усиления до 25 и более – можно получить еще более достойный результат.

Использование ОУ в схеме с коэффициентом усиления 10 уменьшает полосу пропускания усилителя с замкнутым контуром, однако улучшения не кардинальны

Рис. 33. Использование ОУ в схеме с коэффициентом усиления 10 уменьшает полосу пропускания усилителя с замкнутым контуром, однако улучшения не кардинальны

Есть еще один хитрый трюк. На рисунке 34 по-прежнему представлена схема с коэффициентом усиления 10, но с дополнительным конденсатором Cc, который еще больше замедляет работу ОУ, направляя ее в правильное русло. Если величина Cc окажется недостаточной – реакция схемы будет похожа на рисунок 33. При слишком большой емкости Cc можно столкнуться с неприятностями, показанными на рисунке 32.

Использование той же схемы и дополнительного конденсатора Cc 12 пФ, включенного параллельно с резистором обратной связи, позволяет добиться идеального отклика

Рис. 34. Использование той же схемы и дополнительного конденсатора Cc 12 пФ, включенного параллельно с резистором обратной связи, позволяет добиться идеального отклика

Получение оптимальной компенсации – это задача, которую можно решить с помощью анализа Боде. Конечно, в преодолении обозначенных проблем серьезно поможет интуиция, однако для перехода на качественно новый уровень при расчете цепей компенсации без господина Боде не обойтись.

Микрофонный усилитель

Электретные микрофоны широко применяются в современной бытовой и специальной аппаратуре. Они отличаются компактными размерами и высоким качеством передачи звукового сигнала. Основным недостатком конструкции является очень слабый выходной сигнал и обязательная подача на капсюль поляризующего напряжения. Предварительный усилитель для микрофона может быть сделан на любой элементной базе. В самодельных конструкциях применяются как транзисторы, так и интегральные микросхемы. Схемы устройств отличаются количеством каскадов, наличием автоматической регулировки усиления и другими техническими решениями.

Читайте так же:
Схема регулировки теплового зазора двигателя

Усилитель для электретного микрофона

Микрофонный усилитель для микрофона используется для усиления слабых сигналов, величиной 0,1-15 mV до уровня 200-400 mV. Схема предусилителя для микрофона проста и включает в себя один или два каскада усиления и, при необходимости, цепи коррекции амплитудно-частотной характеристики микро. Основными параметрами конструкций являются следующие величины:

  • Частотный диапазон
  • Коэффициент нелинейных искажений
  • Отношение сигнал/шум
  • Коэффициент усиления

Хороший усилок для микро должен обеспечивать частотный диапазон от 20 Гц до 20 кГц с неравномерностью АЧХ не более ±1,5 дБ. Необходимая частотная коррекция осуществляется в дальнейших каскадах низкой частоты. Коэффициент гармоник во всём диапазоне частот не должен превышать 0,2%. Поскольку микрофонное устройство является первым каскадом, все внутренние шумы будут усиливаться низкочастотных трактом. Поэтому в схемах микрофонных усилителей используются самые малошумящие транзисторы и интегральные операционные усилители.

Микрофонный усилитель для электретного микрофона

Электретный микро при громком звуке, выдаёт на выходе порядка 10-15 mV, поэтому для усиления сигнала до уровня 400-600 mV может использоваться схема с одним или двумя каскадами. Конструкция может быть собрана на обычном или полевом транзисторе и интегральной микросхеме. Усилитель микрофона на одном транзисторе выполнен на малошумящем приборе с обратной проводимостью. Схема подходит для применения в звуковых трактах персональных компьютеров. Достоинством устройства является низковольтное питание и его можно питать от пальчиковой батарейки на 1,5 вольта. Величину конденсатора С3 можно изменять в указанных пределах.

Микрофонный усилитель на одном транзисторе

Схема на полевом транзисторе обладает низким уровнем собственных шумов и обеспечивает коэффициент усиления порядка 20 дБ.Для этого потребовалось увеличить напряжение питания до 9 В, поэтому усилитель питается от батарейки типа «Крона» или от источника внешнего питания. При повторении данной схемы нужно помнить, что полевые полупроводниковые приборы боятся статического электричества, поэтому пайку транзистора нужно выполнять заземлённым паяльником и использовать антистатический браслет. Выводы транзистора перед пайкой нужно соединить между собой, обмотав их тонкой медной проволокой. Схемы микрофонных устройств на транзисторах имеют различные технические решения. Они бывают с несколькими каскадами, с автоматической регулировкой усиления и шумоподавлением.

В первом случае через резисторы R4 иR1 на электретный микрофон подаётся напряжение питания необходимое для его работы. Переменный сигнал в частоты с электродинамического прибора подаётся через конденсатор С3 на базу транзистора. Усилитель для динамического микрофона собирается на одном транзисторе обратной проводимости.

Транзистор ВС547 заменяется на КТ3102Е. Правильно собранная схема начинает работать сразу и не требует регулировки. Схема микрофонного усилителя на одном транзисторе не всегда может обеспечить требуемые параметры, поэтому на практике часто применяются схемы имеющие большее число каскадов.

К усилителю микрофона подключается электродинамический микрофон, но схема может быть доработана и для электретного устройства. Для этого электролитический конденсатор С2 меняется на обычный ёмкостью 4,7 мкФ, а в точку его соединения с микро подаётся питающее напряжение через резистор 2-3 кОм. Коэффициент усиления устройства достигает 200 в полосе частот от 40 Гц до 20 кГц. Применение транзисторов разной структуры позволило исключить переходной конденсатор между каскадами. Он обычно вносит заметные искажения в схемы усиления низкой частоты.

Схема микрофонного усилителя на микросхеме

Существует много конструкций микрофонного усилителя на микросхеме. Чаще всего в устройствах применяются операционные усилители, но имеются интегральные компоненты представляющие собой готовый микрофонный канал. Примером такой конструкции является специализированная малошумящая микросхема усилитель микрофонаMAX9814.Она имеет следующие параметры:

  • Программируемый коэффициент усиления – 40, 50 и 60 дБ
  • Гармонические искажения – 0,04%
  • Встроенный источник питания для электретного микро – 2 В
  • Температурный диапазон — +80- –40 0 С
  • Имеется автоматическая регулировка усиления

Для самостоятельного повторения подойдут схемы на интегральных операционниках.

Схема собрана на отечественном ОУ 157УД2. Это микросхема с очень маленьким уровнем собственных шумов не критичная к напряжению питания.

Высококачественный канал предназначен для работы с электретными микрофона всех типов. В нём используется ОУ BA4558 или JRS4558. Конденсаторы С1 и С4 по 0,22 мкФ. Схема отличается высокой чувствительностью. Не требует регулировки и начинает работать сразу после подачи напряжения питания. В следующем устройстве используется микросхема для микрофона К538УН3Б.

Она очень простая, так как в ней отсутствуют резисторы и для её сборки потребуется только микросхема и четыре конденсатора. Напряжение питания можно снизить до 3 вольт без больших потерь усиления. При повторении конструкций нужно выполнять подключение усилителя микрофона экранированным проводом и экран соединить с корпусом устройства.

Усилитель с микрофонным входом

Низкочастотные конструкции, предназначенные для усиления сигналов звуковой частоты, всегда оборудуются одним или несколькими микрофонными входами. Это самые чувствительные входы звукового канала. При работе внешних звуковых устройств следует избегать подключения девайсов с большими уровнями выходного сигнала к микрофонным входам УНЧ. Это может вызвать отказ входных транзисторов или интегральных микросхем. Профессиональные устройства оснащены разъёмами XLRкоторые позволяют подавать фантомное питание на конденсаторные микрофоны.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector