Владимир Рентюк, Запорожье, Украина
Установка порога срабатывания шумового затвора, можно сказать, почти не имеет подводных камней. Он выбирается пользователем, и задается с использованием либо таблицы для SSM2167-1, либо графика «Figure 5. Noise Gate vs. RGATE» («Рисунок 5. Зависимость напряжения шумового затвора от номинала RGATE») для SSM2166S. Как уже указывалось ранее, сноска «Pin 9 to V+» означает, что резистор RGATE включается между выводом 9 и шиной питания ИМС. В описании для SSM2166S мы находим, что резистор номиналом в 1 МОм даст нам шумовой затвор на уровне 250 мкВ (как и ранее, это среднеквадратичное напряжение), а резистор номиналом в 10 кОм даст шумовой затвор в 20 мВ. Это близко к истине, но не по отношению к выходному напряжению, а к входному. И не просто к входному напряжению микросхемы, а с учетом конфигурации буферного усилителя. Ни в одной из разработок, даже при коэффициенте усиления буферного усилителя установленном равным 2, автору статьи не удалось получить напряжение шумового затвора ниже 0.5 мВ, а резистор номиналом более 510 кОм уже не оказывал сколь-нибудь заметного влияния на величину этого параметра. Так что порог в 250 мкВ можно считать маркетинговым ходом.
Что касается управляющего среднеквадратичного детектора, то его постоянная времени должна выбираться исходя из конкретного применения. Она определяется простым выражением 10·СAVG, где СAVG – выраженная в микрофарадах емкость конденсатора, подключенного к выводу AVG CAP, результат будет в миллисекундах. Для систем обработки звука, по опыту автора статьи, оптимальным будет экспериментальный выбор номинала этой емкости. Но, как показала практика, достаточным является использование конденсатора от 22 мкФ до 47 мкФ. Здесь нужно помнить, что скорость срабатывания АРУ от величины этой емкости практически не зависит, а зависят только время удержания и время отпускания. В своей общей практике автор использовал AVG CAP с номиналами от 220 мкФ (в измерительной системе, работающей в области инфранизких частот) до 1 мкФ (в устройстве стабилизации уровня шумов). Оба из этих крайних вариантов работали без замечаний. В части использования детектора АРУ для этих ИМС имеется одна незадекларированная в спецификациях опция. А именно: через точку подключения конденсатора, задающего постоянную времени детектора АРУ можно управлять еще и коэффициентом усиления. В одном из проектов автор реализовал идею захвата напряжения на конденсаторе детектора АРУ устройством выборки-хранения (УВХ) с последующей фиксацией уровня напряжения на этом контакте ИМС. Таким образом, до прихода команды управления коэффициент передачи устройства был зафиксирован и не изменялся под действием входного сигнала. Подробнее это будет показано ниже в примере применения ИМС SSM2166S.
Напоследок рассмотрим еще ряд общих особенностей усилителей этой серии. Одним из недостатков этих ИМС является их относительно высокое выходное сопротивление, равное 75 Ом для SSM2166S и 145 Ом для SSM2167-1. Отсюда низкая нагрузочная способность. Рекомендуемое сопротивление нагрузки для этих ИМС не менее 5 кОм. Устойчивость к емкостной нагрузке тоже нельзя назвать хорошей. Изготовитель гарантирует нормальную работу ИМС этой серии на емкостную нагрузку, не превышающую 2000 пФ. В общем, все это не так критично, и может быть легко реализовано на практике. Плохо другое – эти ИМС не имеют эффективной защиты по выходу. Если вы случайно закоротите выход на корпус или на шину питания (они рядом, это контакты 13 и 14 для SSM2166S), то с большой вероятностью вам придется готовить на замену новую микросхему, в чем автор статьи убедился на собственном опыте. Причина такой быстрой реакции заключается в том, что на выходе имеется постоянная составляющая. Для ИМС SSM2166S это 2.2 В, а для SSM2167-1 – 1.4 В. В общем, поскольку выходное напряжение не соответствует половине напряжения питания, это ухудшает динамический диапазон ИМС по выходному напряжению. Так при питании +5 В, вместо ожидаемых 1.7 В (среднеквадратичных) для синусоидального сигнала, на выходе SSM2166S имеем всего 1.4 В, а для SSM2167-1 и того меньше – всего 700 мВ. Для исключения случайного выведения ИМС из строя лучше (если это для вашей схемы некритично) прямо на выход ИМС подключить резистор сопротивлением 100 Ом и при измерениях подключаться к нему, а не напрямую к выводу ИМС. Но из наличия постоянной составляющей можно извлечь и пользу. Она дает возможность без обязательного смещения подключать на вход и выход этих микросхем аналоговые ключи (например, MAX4544ESA) с однополярным питанием и цифровые резисторы (например, MCP41100-I/SN). Эти решения автор статьи с успехом использовал в своей практике.
В спецификации на эти ИМС можно увидеть такие удивительные утверждения, как то, что полоса пропускания VCA достигает 30 МГц для SSM2166S, или 1 МГц для SSM2167-1. Может это и так для блока VCA, но реально выше 30 кГц вы работать с этой ИМС не сможете. Изготовитель этого и не скрывает. В той же спецификации в основных свойствах вы найдете, что верхняя частота рабочего диапазона частот равна 20 кГц. Автору статьи приходилось общаться на тему рабочего диапазона частот со специалистами Analog Devices. Их ответ был однозначным – мы гарантируем нормальную работу этих ИМС только в диапазоне 20 Гц – 20 кГц, ниже 20 Гц исследования не проводились. Тем не менее, можно утверждать, и это проверено автором, что при правильном выборе элементов, по крайней мере для SSM2166S, они устойчиво и без замечаний работают в диапазоне инфранизких частот вплоть до 1 Гц. Работа ИМС на частотах выше 20 кГц автором не проверялась.
Последнее, что хотелось бы отметить – это наличие суффикса «Z» в обозначении. Он означает, что такая ИМС (в общем, это справедливо для всех ИМС от Analog Devices) соответствует требованиям Директивы RoHS, иногда такие элементы ошибочно называют «бессвинцовыми». Это неверно, Директива RoHS гораздо шире и несет в себе свои явные и скрытые неприятности. Особенно это касается ремонта старого парка оборудования, да и нового тоже. Поскольку в данной статье не ставилась цель описания тонкостей технологий, а они важны, – автор советует обратиться к материалу по этой теме, изложенному в [7].
Что касается цепей питания, то кроме обычной блокировки конденсатором, эти ИМС ничего не требуют. Конечно, показанный в [3] на схеме отладочного модуля (Figure 26) конденсатор емкостью 0.1 мкФ в цепи питания – это нонсенс. В реальной схеме для этого лучше использовать электролитический конденсатор номиналом не менее 100 мкФ. Можно даже обойтись без шунтирования его керамическим конденсатором емкостью в традиционные 100 нФ, но только если рядом нет цифровых или высокочастотных цепей. В этом случае керамический конденсатор обязателен, так эти ИМС не обладают способностью к подавлению ВЧ пульсаций. Диапазон питающих напряжений для SSM2166S, согласно последней спецификации – до 10 В, но по опыту автора лучше не искушать судьбу и работать с этой ИМС при питающем напряжении в пределах 4.5 – 5.5 В, как это и указано в спецификации. Для SSM2167-1 максимальное напряжение питания равно 6 В, а реальный диапазон находится в пределах 2.5 – 5.5 В. Относительно высокий ток потребления в рабочем режиме – до 10 мА для SSM2166S и 5 мА для SSM2167-1, – безусловно, их недостаток. Но в дежурном режиме он снижается до, максимум, 100 мкА и 8 мкА, соответственно. Коэффициент подавления пульсаций в диапазоне частот от 20 Гц до 30 кГц по цепи питания составляет 50 и 45 дБ, соответственно. С учетом однополярного питания это можно считать приемлемым для большинства применений. В проектах автора статьи (а это, большей частью, были не только чисто аналоговые устройства, а и модуляторы для радиопередатчиков мощностью до 5 Вт на общей печатной плате, смешанные малосигнальные аналоговые и цифровые каскады и т. п.) проблем от помех в цепях питания при их обычном исполнении не было.
Если вы, рассмотрев приведенные выше рекомендации и пояснения, изучили спецификации и пришли к выводу о целесообразности использования описываемых ИМС усилителей с АРУ в своих проектах, то настоятельно рекомендуется не экономить, а пойти путем автора статьи и начать более детальное изучение этих ИМС с отладочных модулей (Evaluation Board). Для ИМС SSM2166S он приведен в спецификации [3], а для SSM2167-1 в руководящем материале [5]. Их можно взять как базовые, приспособив под свои цели, и не экономя на площади печатной платы. Это поможет вам не только глубже понять особенности работы, но и научиться правильно выбирать конфигурирующие элементы, освоить методику регулировки и настройки. Дело в том, что выбор конфигурирующих элементов по приведенным в спецификациях графикам и таблицам не даст вам точных результатов. Кроме того, графики и таблицы в спецификациях приведены с оговоренными условиями, которые не всегда будут соответствовать вашим.
В части методики настройки совет следующий. Сначала вы определяете некие базовые номиналы конфигурирующих элементов. Потом находите реальную точку поворота передаточной функции. Зная нужный вам коэффициент усиления для VCA, оцениваете реальное максимальное напряжение на выходе схемы, после которого начинается режим мягкого ограничения, и подстраиваете его на нужный вам уровень. (Вот почему в одном из предыдущих абзацев рекомендовано иметь возможность подстройки усиления). После этого определяете и при необходимости корректируете установку компрессии и самой последней устанавливаете точку шумового затвора. По опыту автора конфигурирующие элементы, которые задают точку вращения, компрессию и шумовой затвор, однажды определенные и заданные, в серийном производстве более не потребуют корректировок. Для подстройки выходного напряжения достаточно будет иногда немного подправить коэффициент усиления, и не более того.
Для освоения SSM2167-1 можно воспользоваться интерактивным on-line калькулятором, доступ к которому без регистрации открывается с сайта Analog Devices [6]. Для этого должна быть установлена машина Java и, возможно, понадобится внести URL сайта с доступом к калькулятору в список исключений, если уровень секретности Java на вашем компьютере установлен слишком высоким. Доступ к установке осуществляется через Configure Java. Открыв вкладку Java Control Panel, выбираете в меню Security и через Edit List вставите через Ctrl+V скопированный URL сайта. Интерфейс калькулятора интуитивно понятен. Задав желаемые величины компрессии (Compression Ratio) и шумового затвора (Noise Gate Level), активируете Calculate – получаете соответствующие введенным данным номиналы конфигурирующих резисторов RCOMP, RGATE и график передаточной функции (выделен красным) по отношению к линейной (выделена зеленым). Наведя на него курсор можно посмотреть данные в характерных точках: точки перегиба и крайние значения. Заметьте, в программе остался и снятый с выпуска вариант ИМС SSM2167-2. Диалоговое окно представлено на Рисунке 3.
 |
|
| Рисунок 3. | Диалоговое окно программы расчета конфигурирующих элементов ИМС SSM2167. |
Впервые решение на базе SSM2166S потребовалось автору для решения проблемы последней мили в системе сопряжения телефонных линий с базовой радиотелефонной станцией [2]. Устройство было выполнено по типовой схеме. Оно устраняло перегрузку канала при поступлении сигнала с уровнем, превышающим номинальный до 15 дБ. Оптимальный уровень компрессии был определен в ходе исследовательских работ и предустановлен как 5:1. С добавлением в тракт передачи звука устройства, спроектированного на базе SSM2166S, значительно улучшились разборчивость речи и узнаваемость тембра голоса абонента. Отношение сигнал/шум в тракте связи возросло с 22 дБ до 32 дБ. Компенсация потерь в линиях связи составила 6.5 дБ. Полностью исчез раздражающий «бочкообразный» и «металлический» призвук. Были устранены шумы в паузе. Этот же вариант решения по типовой схеме включения использовался автором и в качестве составной части модулятора для АМ, ЧМ и SSB передатчиков, в приемниках ультразвуковой локации и для нормирования сигнала в генераторах шума и т.п. Как наиболее наглядный пример широкого спектра вариантов применения описанных ИМС, на Рисунке 4 приведено использования SSM2166S с запоминанием коэффициента усиления; о таком необычном режиме было сказано выше.
 |
|
| Рисунок 4. | Схема обработки сигнала с запоминанием коэффициента усиления в системе АРУ. |
Сама схема включения SSM2166S не имеет особенностей, за исключением цепи установки постоянной времени АРУ. Буферный усилитель сконфигурирован с частотной коррекцией (элементы R1, C3, R4, C5) и заданным усилением в 6 дБ. Резистором R6 задан необходимый уровень компрессии 6:1 (то есть 60 дБ на входе, 10 дБ на выходе). Резистор R2 задал шумовой затвор (на уровне –70 дБ). Точка поворота, которая при максимальной перегрузке даст сигнал на выходе максимум в 950 мВ, установлена резистором R3. Все установки фиксированные, а усиление VCA и, соответственно, уровень выходного сигнала, установлен суммой номиналов резисторов R5, R7* (корректируется установкой резистора R7*). Особенностью, как уже сказано, является использование цепи АРУ. В режиме «слежение» схема работает как обычное устройство с АРУ, постоянная времени которого задана номиналом конденсатора С10. В этом режиме напряжение с конденсатора С10 подается на УВХ DA2 (LF398F) и «дублируется» на запоминающем конденсаторе С8. Если необходимо зафиксировать коэффициент передачи на некотором текущем уровне, то на УВХ подается управляющая команда «хранение», слежение за напряжением на выходе детектора АРУ прекращается, а напряжение с выхода УВХ через аналоговый ключ DA3 (ADG417BR) принудительно подается на конденсатор С10, блокируя изменение на нем напряжения внутренним детектором АРУ. Опорное напряжение, введенное на С10, потребовалось для того, чтобы ограничить усиление VCA при отсутствии напряжения в момент записи в УВХ уровня сигнала детектора АРУ, то есть, иметь некоторое конечное усиление. Эта схема использовалась в составе сложного аналогового вычислителя в системе обнаружения и сопровождения целей.
Зависимость напряжения на выводе AVG CAP для ИМС SSM2166S от уровня ее входного напряжения, экспериментально снятая при отладке схемы, приведенной на Рисунке 4, представлена в Таблице 2.
| Таблица 2. | Зависимость напряжения на выходе детектора АРУ SSM2166S от уровня входного напряжения. |
|||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||
В завершение коснемся такого немаловажного вопроса как динамический диапазон. Согласно спецификации для SSM2166S динамический диапазон VCA составляет 60 дБ, для SSM2167-1 – 40 дБ. Чтобы достичь предельного значения динамического диапазона устройства вцелом, как показала практика, необходимо выполнить два условия – точка поворота должна быть настроена на максимум, коэффициент усиления VCA не более двух, а шумовой затвор, естественно, устанавливается на минимум. Для примера используем сигнальную часть схемы с АРУ, приведенную на Рисунке 4. Для достижения заданного техническим заданием диапазона в 60 дБ в зоне регулирования (от точки шумового затвора до точки поворота) при компрессии 6:1 пришлось установить следующие номиналы конфигурирующих элементов:
- шумовой затвор – R2 = 510 кОм (5%);
- точка поворота – R3 = 1.3 кОм (1%);
- усиление – VCA R5 + R7 = 1.5 кОм (1%);
- компрессия – R6 = 43 кОм (5%).
Буферный усилитель был сконфигурирован по АЧХ и с усилением 6.5 дБ. Максимальный сигнал по выходу – 800 мВ. Реальный динамический диапазон составил 58 дБ при коэффициенте компрессии 7:1 и точке поворота на уровне 700 мВ. Правда, при этом пришлось сместить номинальный выходной сигнал на 2 дБ в зону мягкого ограничения. Это был лучший, предельно достигнутый, потребовавший использования прецизионных элементов, но полностью серийно повторяемый результат. Эффективность шумового затвора по выходу схемы составила почти –70 дБ от номинального уровня сигнала, и –58 дБ относительно напряжения установки шумового затвора.
Литература:
- Rentyuk Vladimir “Use of an AGC Amplifier as a Soft Limiter of Signals”, Electronics World, May 2010.
- Рентюк В.К. «Два подхода к выбору схем АРУ», Радиоаматор, №6 2011 (уточнение №8 2011)
- SSM2166S Microphone Preamplifier with Variable Compression and Noise Gating, Rev. E, 10/2013, Analog Devices Inc.
- SSM2166S Low Voltage Microphone Preamplifier with Variable Compression and Noise Gating, Rev. G, 09/2011, Analog Devices Inc.
- Shawn Scarlett «AN-583. Using the SSM2167-1 Evaluation Board», Analog Devices, Inc., Rev. A, 2003
- http://designtools.analog.com/dt/microphone/ssm2167.html
- Рентюк В. «RoHS-директива: защита экологии или рынков?», Технологии в электронной промышленности, №5, 2013
