Владимир Рентюк, Запорожье, Украина
Как известно, проблемы часто скрываются в мелочах. Данная статья, написанная на основе собственного опыта автора в части разработки РЭА, раскрывает некоторые детали, важные для построения схем на базе ИМС усилителей с автоматической регулировкой усиления (АРУ) компании Analog Devices.
Анализируя сложившуюся на настоящий момент ситуацию, можно придти к выводу, что в отношении схем с автоматической регулировкой усиления (АРУ) ясного понимания, какую схему и в каком случае оптимально применять, нет, не только в среде радиолюбителей, но и в сообществе профессиональных разработчиков РЭА. В свое время автор уже излагал некоторые общие соображения по этому вопросу, а также рассматривал решения в области схемотехники АРУ и описывал особенности их применения [1, 2]. Настоящая статья посвящена особенностям использования одних из самых удивительных интегральных микросхем – микрофонных предусилителей (кондиционеров) с компрессией сигнала и шумовым затвором семейства SSM21xx компании Analog Devices. Имеются в виду ИМС SSM2166S, SSM2167-1 и SSM2165. (Последняя снята с производства, но пока еще доступна у поставщиков, так как используется для ремонта). Устройства, выполненные на базе этих ИМС, используются для формирования сигналов с микрофонных входов в цифровых системах обработки звука, в электромузыкальных инструментах, модуляторах, измерительных устройствах, телевизионной технике, системах наблюдения и т. п.
Для начала разберемся, что же представляет из себя типовая ИМС усилителя с АРУ серии SSM21xx. От распространенных усилителей с АРУ их отличает сложная передаточная характеристика. Кроме традиционного для понижающих схем с АРУ ограничения по максимальному уровню сигнала (здесь и далее, по среднеквадратичному уровню, а не по амплитудному), они осуществляют его компрессию и убывающее экспандирование в области малых сигналов. То есть, они имеют так называемый шумовой затвор – noise gate. Передаточная характеристика устройств на базе этих ИМС представлена на Рисунке 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Передаточные характеристики схем на базе ИМС SSM21xx. |
Подробное описание базовой и самой многофункциональной ИМС этой серии – SSM2166S, – приведено в спецификации [3]. Для того чтобы разобраться в тонкостях использования, обратимся к блок-схеме из этого руководства (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | Блок-схема SSM2166S (из [3]). |
Сигнал подается на неинвертирующий вход буферного усилителя (BUFFER), который для ИМС SSM2166S может быть сконфигурирован на необходимое усиление. Примечание: у ИМС SSM2165 и SSM2167-1, в отличие от SSM2166S, буферный усилитель имеет фиксированное усиление, равное единице. Далее сигнал поступает на усилитель, управляемый напряжением (VCA), и на детектор (LEVEL DETECTOR). То есть, в этих ИМС реализован принцип АРУ со связью вперед. Встроенный в ИМС усилитель VCA, обеспечивает необходимое усиление, которое динамически регулируется контуром управления так, чтобы сохранить установленную пользователем характеристику сжатия. Степень сжатия (Compression Ratio) задается соответствующим выбором номинала резистора COMP RATIO SET и может быть установлена от 1:1 до 15:1 относительно определенной пользователем «точки поворота». Примечание: Отношение «r : 1» задается, как отношение в дБ, а не в разах! Точка поворота устанавливается выбором номинала резистора, подключенного к выводу ROTATION SET. Сигналы, среднеквадратичный уровень которых выше точки поворота, ограничиваются, чтобы предотвратить перегрузку и устранить «схлопывания». VCA ИМС SSM2166S может быть сконфигурирован на нужное дополнительное относительно режима 1:1 усиление выбором соответствующего номинала резистора, подключенного к выводу GAIN ADJUST. Это усиление будет добавкой к изменяемому усилению в режиме сжатия (см. «Δ = Усиление» на Рисунке 1). Убывающее экспандирование (упомянутый выше шумовой затвор – noise gate) предотвращает усиление шума и внешних помех, лежащих ниже некоторого заданного пользователем уровня входного сигнала. Точка шумового затвора устанавливается резистором, подключенным к выводу NOISE GATE. ИМС этой серии содержат запатентованный детектор среднеквадратичного значения. Время усреднения (интеграции) среднеквадратичного детектора и, соответственно, постоянной времени АРУ, задается внешним конденсатором, подключенным к выводу AVG CAP. ИМС этой серии имеют опцию перевода в режим с пониженным потреблением тока. Управление этим режимом осуществляется через вход POWER DOWN (вывод 12). Опция перевода в режим паузы – «mute» реализуется через вход GAIN ADJUST (вывод 2). Теперь перейдем, собственно, к особенностям. Рассматривать их будем на примерах SSM2166S [3], как самой универсальной микросхемы, и SSM2167-1 [4], как современного аналога SSM2165, хотя в некоторых случаях SSM2165 будет рассматриваться тоже.
Сначала рассмотрим буферный усилитель. Для SSM2166S он может быть сконфигурирован на усиление до 20 дБ (рекомендовано [3]) при обычной схеме включения и сопутствующих расчетах, типичных для неинвертирующего усилителя, выполненного на базе операционного усилителя. Хотя это и не указано ни в руководящих материалах, ни в спецификации на эту ИМС, буферный усилитель можно не только конфигурировать по усилению, но и задавать ему необходимую амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), что позволяет частично удалить из сигнала, подаваемого на усилитель, лишние участки спектра и устранить его перегрузку сигналами нежелательной частоты. Но конфигурация по усилению и частотная коррекция возможны только для SSM2166S. Для SSM2167-1 и SSM2165 коэффициенты усиления буферного усилителя фиксированы и равны единице. Входной импеданс буферного усилителя достаточно велик – 180 кОм для SSM2166S и 100 кОм для SSM2167. Как видим, усилитель можно использовать с источниками сигнала, имеющими достаточно высокий собственный импеданс. На практике автора это были некоторые датчики и шумовые диоды. Как известно, последние работают на микротоках и требуют высокоомной нагрузки. Низкоомный вход усилителя шунтировал бы их и вывел из оптимального режима. Здесь скрываются два нюанса. Во-первых, для таких источников сигнала не рекомендуется разгонять максимальное усиление (для SSM2166S это 60 дБ). Во-вторых, просто так подключить к буферному усилителю высокоимпедансный источник сигнала не получится, из-за вероятности его самовозбуждения. По опыту автора статьи, это не обязательный факт, но возможный. Для исключения вероятности этого явления в случае сопротивления источника сигнала более 5 кОм точка входа (контакт 6 для SSM2166) как можно ближе к выводу должна быть зашунтирована керамическим конденсатором емкостью 1 нФ. Это несколько снижает верхнюю полосу рабочих частот усилителя, но ненамного – примерно до 30 кГц. Учитывая, что рекомендуемая полоса рабочих частот описываемых ИМС лежит в диапазоне 20 Гц – 20 кГц, это никак не отразится на работе усилителя. Еще одна тонкость, о которой умалчивает изготовитель. По крайней мере, SSM2166S не допускает подключения емкостной нагрузки (например, даже щупа осциллографа с делителем) к точке выхода буферного усилителя BUF OUT (контакт 5) или VCAIN (контакт 3). Если вы захотите посмотреть осциллографом сигнал на выходе буферного усилителя, то на экране вы увидите картинку, характерную для самовозбуждения, которого на самом деле нет. Это нужно учитывать и при разводке печатной платы, а для просмотра сигнала использовать дополнительный технологический резистор сопротивлением не менее 10 кОм, подключаемый прямо на выход буферного усилителя. Еще один момент касается постоянной составляющей на входе и выходе буферного усилителя. Она не 2.5 В, как можно было бы ожидать при пятивольтовом питании, а 1.5 В для SSM2166S и 400 мВ для SSM2167-1 (этих данных нет в таблицах спецификаций, они скрыты в описаниях). Это важно для правильного выбора полярности подключения электролитического конденсатора (в случае его применения), как по входу, так и по выходу буферного усилителя.
Наиболее сложным является правильное конфигурирование основного элемента ИМС – VCA. Здесь нужно учитывать сразу несколько моментов. Коэффициент усиления для ИМС SSM2167-1 фиксирован и составляет 18 дБ. Ранее эти ИМС (последний релиз спецификации Rev. A 3/2002), как и снятые с выпуска SSM2165 (спецификация Rev.A 1999), имели добавочные индексы «-1» и «-2». Если вам попадутся такие ИМС, то они будут иметь фиксированные коэффициенты усиления 18 дБ и 8 дБ, соответственно. ИМС SSM2166S, как уже отмечалось выше, имеет настраиваемый коэффициент усиления. Он может быть установлен изменением номинала резистора, подключенного к выводу GAIN ADJUST, от 0 дБ (R Δ 1.5 кОм) до Δ 19 дБ (R > 20 кОм). Указанное в спецификации усиление каскада 60дБ не должно вводить вас в заблуждение, это касается полного усиления каскада с учетом установки точки поворота передаточной функции, реально – это его динамический диапазон. Дело в том, что под «усилением» здесь понимается разность между передаточными характеристиками в режиме компрессии и в режиме линейной, то есть, без компрессии, передачи сигнала (см. Рисунок 1). Выбор номинала резистора, обеспечивающего это добавочное усиление, выполняется с помощью графика «Figure 6. VCA Gain vs. RGAIN» [3] («Рисунок 6. Зависимость коэффициента усиления VCA от номинала резистора RGAIN»). Наличие там сноски «Pin 2 to GND» («Вывод 2 к земле») не означает, что вывод 2 ИМС должен быть подключен к общему проводу. На самом деле, так «оригинально» указали, что резистор, задающий усиление, включается между контактом 2 ИМС и общим проводом. Как видно из упомянутого графика, коэффициент усиления VCA в действительности заканчивается на уровне примерно в 19 дБ. При подключении к выводу 2 резистора номиналом 1.5 кОм усиление отсутствует. Но для перевода усилителя в режим молчания – «паузы» (mute) используют резистор порядка 300 Ом, который через ключ подключается параллельно основному резистору, задающему нужный коэффициент усиления. Использование этого режима имеет следующую особенность: при его включении/выключении практически отсутствует реакция в виде переходных процессов. А вот при выходе из дежурного режима (режима с малым током потребления) они есть. Таким образом, если эти два режима совместить, то переходные процессы при выходе из дежурного режима будут практически отсутствовать. Неудобство только в том, что режим паузы включается низким уровнем (подключением к общему проводу), а дежурный режим – высоким (подключением к шине питания). Автор статьи с опаской относится к использованию подстроечных резисторов, даже таких качественных, как BOURNS по доллару за штуку, но по опыту работы с SSM2166S без их использования в цепи установки коэффициента усиления обойтись сложно. Поэтому лучше использовать технологический подстроечный резистор, который после установки коэффициента усиления для конкретного исполнения каскада будет заменен постоянным. Из практики сделан вывод, что лучше подстраивать усиление, чем точку поворота передаточной функции. Еще один момент – не пожалейте конденсатор и заблокируйте им резистор, устанавливающий коэффициент усиления. Он, кстати, имеется и в рекомендованном изготовителем отладочном модуле. Керамического конденсатора 10…100 нФ будет достаточно. Это уменьшит влияние внешних помех. Относительно канала усиления есть еще один важный для некоторых применений момент – сигнал этими ИМС не инвертируется, то есть фаза поступившего на вход сигнала не меняется.
Следующий важный этап – установка точки поворота передаточной функции. Именно эта точка будет определять, на каком уровне (напоминаю – среднеквадратичном, а не амплитудном) наступит мягкое ограничение уровня сигнала, выше которого он увеличиваться практически не будет (реально – максимум на 1.5 дБ). Естественно, что для этого также есть свои пределы, по оценки автора статьи это, как минимум, еще 17 дБ для увеличения входного сигнала без заметных искажений выходного. Далее сигнал на выходе будет уже ограничиваться. То есть, для большинства применений этого вполне достаточно, еще и с технологическим запасом. Если недостаточно – то нужно использовать другие решения, например, описанное в [1] и применявшееся автором в качестве модулятора. Точка поворота, также как и коэффициент усиления, для ИМС SSM2166S – изменяемая, а для SSM2167-1 и SSM2165 – фиксированная. А для ранее выпускавшихся ИМС с добавочными индексами «-1» и «-2» точки поворота еще и разные. Итак, для ИМС SSM2167-1 точка поворота установлена на уровне 63 мВ, а для «старых» ИМС с индексами «-1» и «-2» – 40 мВ и 100 мВ, соответственно. Какая проблема с этим параметром? Выбор номинала резистора для установки точки поворота для SSM2166S осуществляется по графику «Figure 9. Rotation Point vs. RROT PT» [3] («Рисунок 9. Зависимость напряжения точки поворота от номинала резистора RROT PT»). Сноска «Pin 11 to V+» («Вывод 11 к V+») означает, что резистор, задающий напряжение точки поворота, включается между выводом 11 и шиной питания ИМС. Как видно из упомянутого графика, напряжение точки поворота может быть задано в пределах от Δ 1 В до Δ 35 мВ. Сопротивление резистора при этом будет изменяться от 240 Ом до 82 кОм. Если вы поставили резистор номиналом, например, 24 кОм и решили, что среднеквадратичное напряжение на выходе вашей схемы, согласно графику, составит 100 мВ, то вы глубоко заблуждаетесь. Почему? Потому, что вы забыли про заданный вами для VCA коэффициент усиления. Значение напряжения в точке поворота в вашей реальной схеме будет увеличено как раз на заданный для VCA коэффициент усиления. Это же справедливо и для SSM2167-1. Почему для ИМС с фиксированным напряжением не дали значение точки поворота уже с учетом усиления – это вопрос к Analog Devices. Но такая подача вводит разработчиков в заблуждение.
Коэффициент компрессии для всех разновидностей описываемых ИМС задается пользователем. Для ИМС SSM2166S и SSM2165 он выбирается в пределах от 1:1 до 15:1. Для SSM2167-1(2), независимо от года выпуска, – от 1:1 до 10:1. В спецификациях приведены ясные для понимания таблицы выбора номинала резистора, задающего коэффициент сжатия. Он устанавливается между соответствующим выводом и общим проводом. Здесь путаница возникает уже для ИМС SSM2166S. Дело в том, что для разных годов выпуска номинал этого резистора отличается, и весьма существенно. Автор статьи сделал это интересное «открытие» на своем горьком опыте, когда схема с АРУ вдруг перестала привычно работать в новых серийных, отлаженных изделиях. После обращения в службу технической поддержки в Analog Devices подтвердили, что ИМС выпуска после 2009 года (на корпусе в строке маркировки у них теперь есть буква «А») имеют иные номиналы резисторов для установки параметров компрессии, но спецификация появилась позже самих ИМС. Различие номиналов можно оценить из Таблицы 1, в которой дано сравнение различных релизов спецификации [3].
| Таблица 1. Сравнение номиналов резисторов для установки коэффициента компрессии SSM2166S. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
У «новых» и «старых» SSM2166S имеются и другие различия. Коэффициент усиления VCA, у «новых» SSM2166S несколько больше при одинаковых номиналах задающего резистора. Отличается установка точки поворота, и есть несущественное отличие в установке шумового затвора.
Таким образом, подчеркнем еще раз, в полном названии ИМС отличий нет, они называются одинаково SSM2166S, отличие есть только в маркировке и установках. Поэтому, если вам попались ИМС без маркировки «А», или вы производите ремонт, прямая замена «старых» ИМС на «новые» приведет к непрогнозируемому изменению передаточной характеристики предусилителя. Коэффициент компрессии и усиление будут увеличены, а точка поворота сдвинется. Вам нужно либо искать ИМС выпуска до 2009 года, либо запрашивать у Analog Devices старую спецификацию (Rev.A - С), поскольку найти ее сложно, а затем подбирать новые номиналы резисторов, задающих необходимые компрессию, усиление и точку поворота передаточной функции.
