Недавно мы увидели, как некоторые усилители мощности звуковых частот можно использовать в качестве генераторов [1]. В этой статье показано, как те же самые компоненты можно использовать для простой амплитудной модуляции, что сложнее, чем может показаться.
Соответствующим устройством является усилитель TDA7052A, который мы подробно исследовали, заставляя его генерировать колебания. Он имеет так называемый вход логарифмического управления усилением; коэффициент усиления в дБ в ограниченном диапазоне примерно пропорционален напряжению на этом выводе.
Однако нам может потребоваться достаточно линейный отклик, что означало бы отказ от некоторых тщательно проработанных решений разработчиков микросхем.
Первый вопрос: для чего это нужно?
Первоначально эта схема предназначалась для амплитудной модуляции выходного усилителя мощности инфразвукового микрофона [2]. Это устройство генерировало как сигнал основной полосы частот ниже 10 Гц, так и звуковой тон, высота которого линейно изменялась вместе с частотой основного сигнала, что позволяло услышать хотя бы приблизительную имитацию инфразвука. Идея заключалась в том, чтобы поддерживать низкий уровень громкости в периоды относительной неактивности и увеличивать его только во время пиков, как положительных, так и отрицательных, чтобы частотная и амплитудная модуляция работали совместно.
Есть два основных варианта: использовать присущий устройству «логарифмический» закон управления (скорее, антилогарифмический), чтобы модулировать воспринимаемую громкость, или подавать на управляющий вывод логарифмически сжатый сигнал – по закону, обратному кривой регулировки усиления, – для линеаризации модуляции. Первый вариант проще, но звучит довольно агрессивно, второй – сложнее, но мягче, поэтому мы сосредоточимся на нем. Кривая регулировки усиления из технического описания, наложенная на результаты реальных измерений, показана на Рисунке 1. Поскольку для возбуждения динамика нам нужен усиленный сигнал, мы можем использовать только верхнюю, более изогнутую часть кривой с диапазоном изменения усиления порядка 26 дБ.
 |
|
| Рисунок 1. | Зависимость коэффициента усиления TDA7052A от его управляющего напряжения; теоретическая кривая и результаты практических измерений. |
Трансимпедансный операционный усилитель LM13700, сконфигурированный как амплитудный модулятор, обеспечивал превосходную точность линейной характеристики, но требовал отдельного мощного выходного каскада и питания не менее ±6 В вместо одной разделенной шины 5 В, используемой для остальной части схемы. Точность трансимпедансного усилителя здесь не требуется; нам просто нужно, чтобы результат звучал правильно, и мы можем пойти на некоторые уступки. (В техническом описании LM13700 приведено множество интересных примеров применения).
Следующий вопрос: как?
В основе этой схемы лежит интересный вид двухполупериодного выпрямителя. Мы рассмотрим его подробно, а затем разберем на части.
Если взять параллельно соединенную пару источников тока, один из которых инвертирующий, а другой нет, можно получить ток, пропорциональный абсолютному значению входного сигнала (см. Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | Из пары источников тока можно создать новый двухполупериодный выпрямитель. |
Из верхней, инвертирующей секции ток вытекает в землю при положительном входном напряжении (относительно половины напряжения шины питания), а из нижней, неинвертирующей – во время отрицательных полупериодов. Резистор R1 задает крутизну обоих каскадов. Таким образом, выходной ток является функцией абсолютного значения входного напряжения. В показанной схеме на резисторе R4 напряжение формируется относительно 0 В, что выглядит более полезным, чем есть на самом деле.
Выходное напряжение обычных двухполупериодных выпрямителей, как правило, накапливается на конденсаторе и представляет пиковые уровни. Данная схема этого сделать не может: подключение конденсатора параллельно R4 просто усреднит сигнал. Для извлечения пиков потребовался бы еще один каскад: бессмысленно. Кстати, изначально этот каскад задумывался как стандартный прецизионный выпрямитель со встроенными или дополнительными источниками тока, но они оказались более сложными и не давали лучших результатов, за исключением входов напряжений ниже примерно 5 мВ, где у них было меньше искажений типа «ступенька».
Максимальный размах выходного напряжения ограничен соотношением сопротивлений резисторов R4 и R2 (или R3). Чрезмерные положительные входные сигналы будут приводить к насыщению транзистора Q1, поэтому напряжение VOUT может приближаться к Vcc/2. (Напряжение на эмиттере транзистора поддерживается на уровне Vcc/2). При R4 = R2 = R3 отрицательные напряжения насыщают Q2, но соотношение сопротивлений R3 и R4 таково, что VOUT может приблизиться только к Vcc/4. Q1 и Q2 по-разному реагируют на перегрузки, причем цепь с транзистором Q2 восстанавливается гораздо быстрее. Если сопротивления R2, R3 и R4 равны, максимальное не ограниченное напряжение на резисторе R4 составляет чуть менее четверти напряжения питания.
Если увеличить сопротивление R1, а R4 сделать значительно больше, чем R2 или R3, можно обеспечить больший размах для этих отрицательных входных сигналов, но за счет увеличения ошибок смещения. Добавление дополнительного каскада усиления создаст те же проблемы, но потребует больше компонентов.
Усилитель мощности с источником тока
Вывод: эта схема отлично подходит для подачи тока в землю, но если вам нужен выход, линейный по напряжению, она менее полезна. Нам нужна не линейность, а что-то близкое к логарифмической характеристике или обратная зависимость от управляющего напряжения усилителя мощности. Пропускание тока через цепь, содержащую диод, позволяет добиться именно этого, и полученная схема показана на Рисунке 3.
 |
|
| Рисунок 3. | Схема усилителя мощности, модулируемого по амплитуде с использованием сдвоенного источника тока. |
Источник тока точно такой же, как описанный выше. При R1 = 100 кОм выходной ток достигает пикового значения 23 мкА при входном напряжении ±2.5 В. Этот ток протекает через цепь R4/R5/D3, которая соответствующим образом сжимает сигнал, готовя его к буферизации на входе Vcon усилителя A2. Характеристика усиления теперь стала гораздо более линейной, на что указывают осциллограммы на Рисунке 4. Вывод Vcon микросхемы TDA7052A обычно либо отдает, либо принимает ток, но над ним преобладает ток эмиттерного повторителя Q3, который буферизует выходной сигнал цепи.
 |
|
| Рисунок 4. | Осциллограммы в некоторых точках схемы на Рисунке 3, демонстрирующие ее работу. |
Чтобы более наглядно показать работу, были построены графики с использованием треугольных импульсов частотой 10 Гц, модулирующих синусоидальный сигнал частотой 700 Гц. (В целевом приложении будет использоваться инфразвуковой сигнал – скажем, от 300 мГц до 10 Гц, – модулирующий звук с линейной зависимостью высоты тона в диапазоне примерно от 250 до 1000 Гц в зависимости от абсолютного уровня сигнала).
Некоторые дополнительные замечания по схеме
Параметры R4/R5/D3 были оптимизированы с помощью процесса эвристической итерации, что, по сути, означает множество манипуляций с подстроечными резисторами до тех пор, пока на осциллографе результаты не стали выглядеть идеально. У меня это сработало с имеющимися под рукой устройствами. Другие методы дали схожие результаты; абсолютные значения менее важны, чем их общая комбинация.
Назначение резисторов R7 и R8 может показаться непонятным; в техническом описании усилителя мощности ничего подобного нет. Я обнаружил, что подача небольшого смещения на аудиовход помогает минимизировать внутренние смещения микросхемы, которые в противном случае приводят к некоторому (искаженному) сквозному прохождению управляющего напряжения на выходы. При наличии модулирующего входного сигнала, но при отсутствии звука, подстройте R7 для получения минимального сигнала на выходе (выходах). Разница едва слышна, но она отчетливо видна на осциллографе в виде сильно смещенных осциллограмм.
Звуковой сигнал должен поступать с потенциометра регулировки громкости. Хотя может показаться более очевидным включить регулировку усиления в цепь, управляющую выводом 4 микросхемы A2 (в конце концов, это основная функция этого вывода), такой подход оказался слишком сложным и привел к еще большему влиянию температуры.
Температурные эффекты! В источнике тока они (в основном) отсутствуют, но элементы D3, Q3 и A2 подвержены воздействию температуры, и я не пытался компенсировать их влияние. Практическое решение сделать резистор R6 переменным, снабдив большой, удобной для пользователя ручкой с надписью «Эффект», тем самым, превратив проблему в функцию.
Через вывод Vcon в микросхему A2 втекает/вытекает некоторый ток (зависящий от температуры), поэтому регулировка R6 позволяет выполнять разумную, хотя и ручную, температурную компенсацию. Поскольку настройка этого потенциометра влияет как на коэффициент усиления, так и на используемую нами часть кривой усиления, эффективная базовая линия смещается, позволяя проходить большей или меньшей части аудиосигнала, соответствующего низкоуровневым модулирующим сигналам. На Рисунке 5 показано его влияние на выходной сигнал при температуре около 20 °C.
 |
|
| Рисунок 5. | Регулировка потенциометра R6 помогает компенсировать температурные проблемы и позволяет получать различные звуковые эффекты. |
Не считайте эту схему «настоящим» амплитудным модулятором! Но для приема аудиосигнала, его линейной модуляции и подачи результата непосредственно на динамик она работает хорошо. Фактический результат можно увидеть на Рисунке 6, где показаны как обнаруженный инфразвуковой сигнал, возникающий в результате порывистого ветра, так и выходной аудиосигнал, изменения частоты которого незаметны при используемой развертке, но амплитуда которого, как можно видеть, довольно хорошо отслеживает модулирующий сигнал.
 |
|
| Рисунок 6. | Реальный инфразвуковой сигнал, модулированный как по частоте (слишком быстро, чтобы увидеть здесь), так и по амплитуде. |
Ссылки
- Nick Cornford. Усилители мощности, которые генерируют колебания - преднамеренно
- Nick Cornford. Недорогая демонстрация потустороннего мира инфразвука
Купить LM13700 на РадиоЛоцман.Цены
