Принцип автоматичного регулювання посилення в приймачах (ару)

Напруга вхідного сигналу приймача може змінюватися в дуже великих межах на 40 ... 80 дБ (10 2 ... 10 4 разів), що викликає зміна рівня, а, отже, і потужності сигналу на виході приймача. Для захисту кінцевих пристроїв від перевантаження необхідно регулювати посилення приймача в таких же межах. Ручне регулювання посилення дозволяє забезпечити нормальну роботу приймача тільки при дуже повільних змінах рівня вхідного сигналу, наприклад, при перебудові з однієї радіостанції на іншу, та й то - пов'язана з експлуатаційними незручностями. При великих швидкостях зміни рівня вхідного сигналу, наприклад при швидких завмираннях радіохвиль, необхідно використовувати автоматичне регулювання посилення (АРУ).

Таким чином, АРУ повинна забезпечити відносну сталість напруги сигналу на виході детектора і приймача при зміні напруги сигналу на вході РПУ.

Розглянемо найбільш часто застосовується інерційну систему АРУ безперервної дії зі зворотним регулюванням (за рахунок зворотного зв'язку по постійному струму) (Рис.2).

Рис.2 Структурна схема АРУ.

Наведена на Рис.2 схема АРУ ​​забезпечує зменшення посилення УРЧ і ППЧ при збільшенні рівня вхідного сигналу UВХ і, навпаки, збільшення посилення при зниженні рівня сигналу. Регулювання здійснюється за рахунок відбору енергії корисного сигналу UС і перетворення його в постійне регулююча напруга Uрег. змінюється пропорційно амплітуді вхідного сигналу UВХ. Цим напругою регулюється посилення каскадів УРЧ і деяких каскадів ППЧ так, щоб рівень вихідної напруги U вих практично не змінювався.

Сигнал проміжної частоти UС = Uпр з виходу УПЧ детектується амплітудним детектором АРУ (Адар) і фільтрується в ФНЧ з постійною временіtФНЧ = 0,1 ... 0,3 сек.

Більше значення tФНЧ> 0,3 сек призведе до неприпустимого збільшення інерційності системи АРУ, що буде помітно на слух при різкій зміні рівня вхідного сигналу.

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

Регулювання посилення каскадів може здійснюватися різними способами:

- зміною крутизни характеристики підсилювальних елементів (КU = S RН);

- зміною опору навантаження підсилювальних елементів (КU = S RН);

- зміною напруги живлення підсилювальних елементів (КU

Два останніх способу менш ефективні, так як межі регулювання посилення не перевищують 2 ... 4 рази на один каскад. Регулювання за рахунок зміни режиму роботи транзистора по базовій ланцюга (зміною крутизни вхідний динамічної характеристики) дозволяє змінювати посилення каскаду в 8 ... 10 разів.

Для цієї мети розроблені спеціальні транзистори зі змінною крутизною. в яких розтягнутий початкова ділянка вхідний динамічної характеристики дозволяє плавно і в широких межах змінювати її крутизну (Рис.3). До таких транзисторів можна віднести ГТ328, ГТ346, КТ3127, КП307 і багато інших.

На Рис.3 видно, що при збільшенні початкового базового зміщення U'0Б> U0Б робоча точка переміщається на ділянку з більшою крутизною вхідний динамічної характеристики. При цьому амплітуда базового струму збільшується I'Бm> IБm за рахунок збільшення посилення транзистора.

Зміна U0Б відбувається автоматично за системою АРУ за допомогою регулюючого напруги Uрег.

Рис.3 Пояснення принципу регулювання посилення транзистора зміною напруги базового зміщення U0Б.

При виборі каскадів для регулювання посилення в системі АРУ необхідно враховувати наступне:

1. Амплітуда підсилюється сигналу повинна бути малою, щоб використання нелінійних ділянок характеристик транзисторів не привело до появи нелінійних спотворень. З цієї точки зору придатні всі каскади УРЧ і перші каскади УПЧ.

2. Не можна використовувати в якості регульованих вузькосмугові смугові підсилювачі з навантаженням у вигляді ФСС або пьезофільтр. Значна зміна режимів роботи транзисторів може привести до зміни міжелектродних ємностей транзистора, а отже до розладу виборчої системи.

3. Не можна регулювати посилення в змішувальних каскаду перетворювачів частоти, так як при цьому порушується оптимальний режим їх роботи.

На Рис.4 наведено амплітудні характеристики приймача для різних типів АРУ.

Якщо в приймачі відсутній АРУ, то залежність амплітуди вихідної напруги від амплітуди вхідного U вих = ƒ (UВХ) відповідає кривої 1. При слабких сигналах вона лінійна, а при сильних в останніх каскадах приймача наступає перевантаження і посилення приймача зменшується, що призводить до появи спотворень.

При наявності простий АРУ (крива 2) регулююча напруга створюється і використовується при будь-яких амплітудах вхідного сигналу. Недоліком простий АРУ є те, що посилення приймача знижується не тільки для сильних сигналів, але і для самих слабких (хоча і в меншій мірі), для прийому яких необхідно використовувати повне посилення приймача.

Рис.4 Амплітудні харктеристики приймача. 1 - без АРУ; 2 - з простої АРУ; 3 - при затриманої АРУ; 4 - при затриманої і посиленою АРУ.

Цей недолік усувається в затриманої АРУ (крива 3), де регулювання починається тоді, коли напруга на вході приймача досягне певного рівня. Подібний режим можна отримати, якщо подати на діод детектора АРУ ​​деякий замикає напруга, зване напругою затримки Uзад. Його зазвичай вибирають рівним амплітуді напруги на вході детектора, яке соответствуюет номінальної чутливості приймача Uзад = UВХ.МІН. Таким чином при збільшенні рівня сигналу від 0 до UВХ.МІН система АРУ ​​не діє і збільшення вихідної напруги відбувається по кривій 1. Після того як рівень сигналу перевищить Uзад. починає діяти АРУ і вихідна напруга буде змінюватися далі по кривій 3. Для регулювання посилення в високочутливих каскадах УРЧ застосування АРУ з затримкою обов'язково.

Для поліпшення стабілізуючого дії системи АРУ в її шину вводять додаткові підсилювачі постійного струму ППС. Така АРУ ​​називається затриманої і посиленою (крива 4).

Ефективність АРУ характеризується наступними показниками:

- допустимою величиною зміни вихідної напруги В = UВИХ.МАХ / UВИХ.МІН;

- величиною зміни коефіцієнта посилення системою АРУ: Д / В (раз).

Для приймачів вищої групи складності по вітчизняному стандарту Д = 40 дБ (100 раз), В = 6 дБ (1,7 раз).

У незадержанной АРУ (Рис.5) детектор приймача і детектор АРУ можна поєднати в одному VD1C5R5C6. Включення діода VD1 дозволяє виділити на навантаженні R6С6 постійну складову напруги негативної полярності, з якого після фільтрації в ФНЧ RАРУ Сару утворюється регулююча напруга - Uрег.

Початкове базове зміщення + U0Б транзистора VT1 першого каскаду ППЧ утворюється як сума позитивної напруги + Uпит. подається від джерела + ЕК через R2, L2 і негативного регулює напруги - UАРУ. Причому + U0Б = + Uпит - UАРУ. тобто IUПІТ I> IUАРУ I.

Рис.5 Принципова схема простої АРУ.

Чим більше амплітуда сигналів UВХ. тим більше що регулює напруга - UАРУ. що призводить до зменшення початкового базового зміщення + U0Б. крутизни характеристики транзистора S і посилення каскаду ППЧ КU. В результаті компенсації, вихідна напруга приймача U вих буде стабільно і мало залежати від зміни рівня вхідного сигналу UВХ.

Постійна часу АРУ, як було зазначено раніше, tАРУ = RАРУ CАРУ = 0,1 ... 0,3 сек. З огляду на, що в біполярних транзисторах базовий струм I0Б щодо великий і приймає значення десятки і сотні мкА, то опір резистора RАРУ не може бути більше декількох десятків кОм (за схемою RАРУ = 20 кОм). Конденсатор Сару розраховується зі співвідношення Сару = (0,1 ... 0,3 с) / RАРУ = 10 мкФ.

Використання в регулюючих каскадах польових транзисторів з великим вхідним опором дозволяє збільшити RАРУ до 1 ... 1,5 МОм. Тоді номінал Сару складе всього 0,1 мкФ.

Опір резистора зворотного зв'язку R1 має бути незначним, щоб ООС не знижує ефективність регулювання системи АРУ.

Через зменшення чутливості приймача при слабких сигналах просту АРУ не можна використовувати для регулювання посилення в каскадах УРЧ, так як при цьому знижується відношення сигнал / шум.