Использование усилителя с АРУ как мягкого ограничителя уровня сигналов

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2015

Vladimir Rentyuk

Electronics World

Светодиодные драйверы MEAN WELL для систем внутреннего освещения

Предлагаемый усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ) может использоваться для «мягкого» и с минимальными искажениями ограничения уровня сигнала относительно его пикового значения. Последнее важно подчеркнуть: управление усилением происходит не по среднеквадратичному значению сигнала, а именно по абсолютному. Это бывает необходимо для некоторых систем обработки речи, систем связи и т. д.

Обычные усилители с АРУ в таких приложениях работать корректно не могут и, кроме того, имеют довольно высокие уровни общих гармонических искажений. Поскольку опираются они на среднеквадратичный уровень сигнала и, следовательно, имеют задержку реакции АРУ, такие усилители часто отличаются еще одной весьма неприятной особенностью, которую можно назвать «временное замирание сигнала» или «схлопывание». Этот эффект проявляется в усилителе с АРУ, когда схема регулировки усиления начинает работать в режиме захвата, то есть, когда управление сигналом по обратной связи АРУ «включено». Это присущее таким усилителям свойство, которое проявляется в мгновенном снижении уровня сигнала с его последующим медленным нарастанием до точки регулирования передаточной характеристики.

Кроме того, используемые обычно простые усилители с АРУ по разному реагируют на положительные и отрицательные полуволны сигнала, поскольку, как правило, используют однополупериодный выпрямитель. Иногда это может быть недопустимо, например, если строго задан уровень модуляции, или если недопустима перегрузка АЦП. Указанные негативные эффекты должны быть исключены, в особенности в тех системах, которые предназначены для передачи или обработки речи, где первостепенное значение имеет речевая разборчивость. Принципиальная схема «мягкого» ограничителя сигналов без перечисленных выше недостатков представлена на Рисунке 1.

Использование усилителя с АРУ как мягкого ограничителя уровня сигналов
Рисунок 1. Мягкий ограничитель уровня сигнала.

Устройство состоит из регулируемого аттенюатора (R4, RDS_VТ1), усилителя (DA1-1), прецизионного двухполупериодного выпрямителя (DA1-2, DA1-3) и порогового элемента управления (VT2) с емкостным интегратором (R7, C4). (RDS_VТ1 – сопротивление канала VT1). Входной сигнал поступает на усилитель через регулируемый аттенюатор. В отличие от обычных устройств, этот аттенюатор необходимо настроить таким образом, чтобы входной сигнал сразу был ослаблен примерно на 1 дБ. Это должно быть выполнено при отключенной обратной связи по АРУ. Регулировка производится подстроечным резистором R6. Последнее исключительно важно, поскольку именно эта настройка полностью устраняет вредный эффект, названный выше как «временное замирание сигнала».

В предлагаемом устройстве в качестве регулирующего звена АРУ используется p-канальный полевой транзистор (VT1) с большим напряжением отсечки (VGS_OFF) и с подходящим сопротивлением канала в открытом состоянии (RDS_ON). Оптимальным будет транзистор с VGS_OFF в пределах от 3 до 7 В и RDS_ON порядка 400 - 200 Ом.

Выбор типа регулирующего транзистора весьма важен, так как он влияет на снижение эффекта «временного замирания сигнала».

Сопротивление канала транзистора VT1 в открытом состоянии (RDS_ON) вместе с номинальным значением резистора R4 определяет максимальный динамический диапазон устройства в части глубины регулировки АРУ. Вычислить этот диапазон можно по формуле

 

Причиной высоких общих гармонических искажений обычных усилителей с АРУ являются большие нелинейные искажения, вносимые регулируемым аттенюатором. Снизить эти искажения можно с помощью специальной дополнительной RC-цепочки (C3, R13, R14), то есть путем введения в регулирующий элемент VT1 отрицательной обратной связи по затвору. Вторая проблема (реакция на амплитуду любого знака) решается путем использования схемы прецизионного двухполупериодного выпрямителя.

Важным элементом цепи управления является транзистор VT2, изменяющий напряжение на затворе транзистора VT1 в соответствии с абсолютным уровнем входного сигнала. При снижении напряжения на затворе VT1 уменьшается его сопротивление, что, соответственно, уменьшает коэффициент передачи аттенюатора. Таким образом, уровень выходного сигнала схемы не будет превышать установленного значения тех пор, пока напряжение на затворе транзистора VT1 не станет равным нулю. В этом случае транзистор VT1 будет полностью открыт.

Разборчивость речи зависит от постоянной время интегратора (R7, С4), которая может быть подобрана экспериментально. Приемлемыми для речевого сигнала значениями будут R7 = 330 кОм и C4 = 10 мкФ. Подстроечным резистором R12 устанавливается необходимое максимальное значение амплитуды выходного сигнала. Подчеркнем еще раз, что схема не работает со среднеквадратичными значениями! Естественно, что максимальная амплитуда выходного сигнала не может быть меньше, чем порог включения VT2, для слаботочных кремниевых транзисторов равный примерно 0.68 В. Именно до этого значения амплитуды усилитель ведет себя как обычный линейный, а затем меняет свой коэффициент передачи, фиксируя максимальную амплитуду сигнала на новом уровне, после чего опять работает линейно без компрессии до восстановления интегратора и нового захвата. Необходимый уровень входного сигнала может быть установлен выбором соответствующего коэффициента усиления DA1–1, который можно рассчитать по формуле

 

Естественно, что это справедливо только в рабочей полосе частот.

Описанное устройство имеет очень малое время отклика, составляющее менее половины периода входного сигнала.

Выводы

Основные особенности мягкого ограничителя:

  • Прецизионный двухполупериодный выпрямитель;
  • Пороговый элемент управления с интегратором;
  • P-канальный полевой транзистор в качестве управляющего элемента аттенюатора (VT1) должен выбираться с высоким напряжением отсечки (VGS_OFF);
  • Предварительная установка рабочей точки управляющего транзистора аттенюатора (VT1);
  • Введение в регулирующий элемент аттенюатора отрицательной обратной связи, минимизирующей нелинейные искажения.

Впервые это устройство использовалось автором в качестве ограничителя модуляции в одном из его персональных проектов. Здесь было необходимо обеспечить условие, чтобы амплитуда сигнала (в любой промежуток времени и любой полярности) не превысила строго заданный уровень. Это требование должно было выполняться в широком динамическом диапазоне входных сигналов, при низком уровне общих гармонических искажений и без заметного искажения артикуляции. Таким образом, использование известных схем ограничения было невозможным. Автором было проверено много технических решений, в результате чего выяснилось, что проект, представленный на Рисунке 1 – наилучший.

Это же решение автор использовал в составе музыкальной системы в качестве автоматического микшера ди-джея. В этом варианте на вход устройства через сумматор подавались два сигнала (музыка и голос), но их общий уровень автоматически поддерживался постоянным. Так, уровень музыкального сигнала без ручного микширования автоматически уменьшался, как только ди-джей начинал говорить, и плавно возвращался на заданный прежний уровень, если ди-джей замолкал. При этом отсутствовала перегрузка усилителей и акустических систем. Эта же идея использовалась и в качестве базы для прецизионного генератора синусоидальных сигналов на основе моста Вина. Результаты использования такого решения были превосходны и превзошли все ожидания.

Примечание редакции

Эта публикация может считаться дополнением к изданной нами ранее статье «Практика использования ИМС усилителей с АРУ серии SSM21xx» (РадиоЛоцман, 2014, май, июнь), в которой был описан усилитель с АРУ по среднеквадратичному значению сигнала.

Уменьшение нелинейных искажений основанного на полевом транзисторе регулирующего звена аттенюатора за счет введения отрицательной обратной связи описывается, например, в книге: Титце У., Шенк К. «Полупроводниковая схемотехника» 12-е изд.: Пер. с нем. – М., ДМК Пресс, 2007.

Описание использованного в рассмотренной схеме двухполупериодного выпрямителя можно найти в книге: Л. Фолкенберри «Применение операционных усилителей и линейных ИС», Пер. с англ. – М.: Мир, 1985. Обе книги имеются в Интернете и доступны для скачивания. В таком выпрямителе для повышения точности на малых сигналах лучше использовать диоды Шоттки, например, BAS40-04, но для рассматриваемой схемы это несущественно.

Значение сопротивления канала в открытом состоянии RDS_ON для маломощных полевых транзисторов не всегда приводится в спецификациях, но его легко вычислить через крутизну (S) транзистора, так RDS_ON = 1/S. Кстати, в схеме можно использовать отечественный полевой транзистор КП103М1: S = (1.3…4.4) мА/В, VGS_OFF = (2.8…7) В.

Если максимальная амплитуда выходного сигнала должна быть меньше указанного в статье значения 0.68 В, то следует изменить коэффициент усиления в двухполупериодном выпрямителе. Необходимое усиление устанавливается увеличением номиналов резисторов R11 и R3 относительно номиналов остальных резисторов выпрямителя. Для правильной работы выпрямителя не забывайте соблюдать соотношения номиналов резисторов R11 = R3, R5 = R1 = R2. При этом коэффициент усиления выпрямителя рассчитывается как KU = R3/R5.

Перевод: В.Рентюк по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Use of an AGC Amplifier as a Soft Limiter of Signals

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

Как быстро и эффективно спроектировать источник питания
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • На схеме нет подписи резистора R7. Хочу сказать спасибо Владимиру за очередной качественный материал. Мало кто понимает, но за несложной на первый взгляд схемой порой скрываются десятки и сотни часов работы и поиска. В данной статье мне кажется особенно удачным сделанный автором упор на проблемы использования схем АРУ с полевыми транзисторами. Конечно, человеку далёкому от работы со звуком статья будет не интересна. Но круг озвученных проблем широк и на самом деле затрагивает схемотехнику множества областей: радиоприём, промышленные измерения, медицинские устройства, etc. Но мне эта статья напомнила об одном из университетских преподавателей, зав. кафедрой. В 80е он работал в одном из почтовых ящиков (закрытом в смысле секретности НИИ). Его группа занималась системами распознавания речи, построенными на нетрадиционных для того времени подходах. Если кто знаком с вопросом - тогда наблюдалось засилие фонем и структурного анализа. Работали долго и, видимо, плодотворно. Но и денег заказчики не жалели. По этой же теме он защищал докторскую (на закрытом совете, тема секретная) и был одним из самых молодых (около 35 лет) докторов наук в СССР. А позже создал кафедру с почти одноимённым названием и перевёл свою работу в "мирное" русло, если так можно сказать. Так вот, располагая весьма скудными средствами вычислительной техники того времени (когда неограниченный бюджет бессилен), а равно и несовершенными во всех смыслах аналого-цифровыми преобразователями, упор инженеры делали на предварительной аналоговой обработке. Думаю, только фильтрами на ОУ не обошлось, поскольку цифровые алгоритмы весьма внушительны и даже самые быстрые из доступных тогда машин явно не потянули бы обработку в реальном времени сырого цифровго потока в одиночку, без предварительной аналоговой помощи. Когда же их система проходила приёмку, некоторые тесты заказчиков в соответствии с ТЗ были весьма жёсткими. В качестве "постановщиков помех" использовались автомобильные двигатели, вентиляторы и прочие источники шума, сопоставимые по мощности с полезным речевым сигналом. Но приёмку система прошла, причём совершенно однозначно - не только благодаря программистам и математикам, но в первую очередь благодаря "искусству аналоговой схемотехники" :-)
  • Спасибо за замечание, исправили
  • Спасибо за добрые слова. Да, эта схема была тоже разработана не для совсем обычного изделия, я там был Главным Конструктором. Мне нельзя было перейти некоторые пороги (иначе возникали проблемы с восстановлением сигнала и помехи в соседних каналах), но и нельзя было использовать обычное жесткое ограничение (такие искажения были недопустимы). Короче, такой себе замкнутый круг. Тираж этой схемы в серийном производстве составил десятки тысяч, так что можно использовать ее без опаски. Все остальные области применения - это удачный и приятный побочный результат, но так же проверенный на практике и не в единичном исполнении.
  • [b]Vladimir Rentyuk[/b], Доброго времени! Есть ли у Вас готовые устройства? [url]https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=158894[/url] Рассмотрим вариант покупки у Вас этих устройств. Требуется создать устройства для регулирования звука на выходе радиостанций. Ситуация такая, на работе куча передвижных радиостанций 2м диапазона, системы Icom F100S и есть еще пару диспетчерских стационарных радиостанций системы Motorolla модель не помню, да и это не столь важно. Motoroll-ы имеют внешние очень чувствительные микрофоны, а диспетчеры на них работающие имеют очень мерзко-визгливый голос и своеобразную манеру общения в основном это женщины с больной психикой до кучи усугубленной еще и весенним обострением, которые очень громко и эмоционально орут непосредственно в микрофон и к концу работы мозги операторов Icom-ов просто не выдерживают их крикливо-мерзкой перемодуляции, иногда кажется вот вот голова лопнет, каждое выкрикнутое в эфир диспетчером слово словно пуля в голову, притом как на передвижных Icom работают мужчины, они говорят тихо, спокойно и на некотором расстоянии от микрофона. В итоге громкость радиостанций приходится убавлять вообще всем почти на самый минимум, диспетчеров понятное дело слышно в любом случае, а вот остальных друг другу нет, но для нашего сурового производства это очень больная тема. Мы пробовали научить таки диспетчеров правильно работать на радиостанциях, ходили к ним, просили, умоляли говорить в микрофон потише и подальше от него, даже цветы с тортом на 8-е марта подарили, но все тщетно, не понимают, они видите-ли так привыкли, а не дай бог еще кто то в эфире попытается их учить, дак они как спецом сразу начинают злиться и истерить, это вообще полный взрыв мозга. Но так как слышать друг друга нам все же необходимо, мы вынуждены постоянно крутить ручку громкости в поисках золотой середины. Очень надеемся что ваше устройство, поможет "мягко" подравнять сигнал на выходе Р/Ст по принципу "все на одном уровне". С уважением, Алексей.
  • Алексей, Да, это именно то, что вам нужно. Эта схема использовалась в серийно выпускаемой аппаратуре для мягкого ограничения модуляции. Лучший вариант - это использовать схему на SSM2166S, он использовался радиолюбителями, все были довольны, никто не ругался :). Есть у меня еще вариант в условно дискретном исполнении (Радиоаматор №6 2011 и №8 2011). Последний проще в настройке, но там двуполярное питание. Этот вариант использовался мной, как ограничить модуляции в системе многоканальной связи. И ответ по поставкам - я уже давно ничего сам не паяю. Но как и что делать, как настраивать описано детально. И заметьте оба эти ограничителя не искажают речь и и не ухудшают ее разборчивость.
  • Владимир, спасибо за Ваш ответ. Буду пробовать делать пока по этой схеме. Вопрос, так как ограничитель планируем использовать в разрыве линии УНЧ --- Динамик, возможна ли запитка схемы ограничителя непосредственно от УНЧ?
  • Владимир благодарю Вас за труды, отношусь с большим уважением, могу сказать это весьма достойные свойства для такой схемы. Хочу исполнить вашу схему в формфакторе маленькой китайской колоночки USB, (для компа), чтобы включалась в выход для доп. динамика р/ст, только вот с питанием небольшие сложности, придется запитывать непосредственно от рации, что очень неудобно в нашем случае.)) Возникла мысль, а почему бы нельзя взять питание для схемы прямо с выхода на доп. динамик, т.е расчитать ограничитель таким образом, чтобы он получал питание по входу и на выход ему повесить динамик? Или такой фокус не пройдет? Хотелось бы услышать Ваше мнение. С уважением, Алексей.
  • Если использовать SSM, то у нее ограничения по питанию и по нагрузке. Только тут 5 В и ставить схему надо по входу УМ. Если вы возьмете мою вторую схему, то там положительное напряжение питания ограничено отсечкой регулирующего полевого транзистора, так что его должно быть немного более этого напряжения (на вольт, полтора), отрицательного это не касается. Вместо ОУ можно теоретически использовать УМ, но нужно будет выровнять коэффициент усиления. Такое не всегда возможно, так что лучше включать этот ограничитель тоже по входу УМ. Удачи!
Полный вариант обсуждения »