Лабораторные практикумы / 2 Схемотехника телекоммуникационных устройств, радиоприемных устройств

Рис.10.83

Используя распечатку результатов, постройте амплитудную характеристику и характеристику регулирования в одной системе координат с результатами анализа при использовании в системе АРУ диода D9V. Полученные графики приложите к отчету.

Уменьшение (увеличение) резистора R9 (при неизменной величине емкости конденса-

(v10.3.63) (рис.10.83), а при необходимости и в под-

меню (v10.3.27) (рис.10.82), проведите анализ свойств фрагмента ИМС К174ХА2 и постройте амплитудную характеристику и характеристику регулирования совместно, с полученными ранее, для диода детектора Д9В. Сделайте выводы, проведя сравнение влияния диода и параметров фильтра в системе АРУ.

2.2.5 Влияние системы АРУ на параметры усиливаемого АМ сигнала

Система автоматического регулирования усиления вне зависимости от способа построения может вносить существенные искажения в закон изменения огибающей АМ сигнала. Анализ будем проводить, используя схему (рис.10.84), включив на входе источник АМ сигнала (Е1), параметры которого описаны в подменю

(рис.10.4.9) .

572

Рис.10.84

Возможности подменю (v10.4.9) и способ задания параметров источника ЭДС подробно описаны в п. 2.2.5Б.

Для значений амплитуды несущего колебания Uн0 = 0,05 В и U н0 = 0,15 В Оцените величину глубины модуляции, используя переходные характеристики (рис.10.85) и установите соответствие, с рассчитанной ранее амплитудной характеристикой.

573

Рис.10.85

Сравните величину напряжение смещения базе (V4) усилителя постоянного тока (транзистор Q1), со случаем воздействия на входе усилителя немодулированного колебания.

5 Содержание отчета

Отчет должен содержать:

•наименование и цель работы;

•исследуемую принципиальную схему;

•таблицу 1 и 2 с результатами расчета и эксперимента, а так же соответствующие распечатки;

•краткие выводы.

6 Контрольные вопросы

1 Перечислите наиболее применимые способы регулирования усиления каскада и их особенности.

2Изобразите структурную схему прямой (обратной, комбинированной ) АРУ

3Укажите особенности простой, усиленной и задержанной АРУ.

4Изобразите принципиальную схему и объясните принцип работы режимной (с регулируемой глубиной обратной связи, аттенюаторной) АРУ.

5Как выбираются параметры и тип фильтра цепи АРУ?

6Какие каскады радиотракта целесообразно охватывать системой АРУ?

7Зависит ли глубина регулирования коэффициента усиления радиотракта от количества каскадов, охватываемых системой АРУ?

8Изменяется ли входное сопротивление каскада, охваченного системой АРУ?

9Изменяется ли значение резонансной частоты контура регулируемого усилителя, охваченного режимной АРУ?

10Чем отличаются амплитудные характеристики регулируемого каскада, охваченного АРУ, и без АРУ?

574

7 Краткие теоретические сведения

При проектировании различных радиоприемных устройств обычно возникает задача обеспечения высококачественного приема при возможных изменениях амплитуды сигналов от нескольких микровольт до сотен милливольт. Усиление, необходимое при приеме слабых сигналов, оказывается излишним при приеме сильных сигналов и приводит к перегрузкам оконечных каскадов, создавая недопустимый уровень нелинейных искажений. Для обеспечения нормальных условий работы отдельных каскадов и выходных устройств, в приемнике применяется регулировка усиления, которая может осуществляться вручную или автоматически. Автоматическая регулировка усиления (АРУ) позволяет защитить приемник от перегрузок без участия слушателя или оператора. Однако регулирование выходного уровня при заданном напряжении на входе применяется ручная регулировка усиления. Поэтому независимо от наличия или отсутствия АРУ в большинстве приемников применяется и ручная регулировка.

Для того чтобы обеспечить прием с заданными искажениями при требуемой чувствительности и пределах изменения уровней входного сигнала, необходимо распределять усиление сигнала в тракте приемника, не допуская перегрузки отдельных каскадов. Определяющими в распределении усиления по каскадам являются, обычно заданные: собственное напряжение шума каждого каскада Uш n, пересчитанное к его входу, требование к коэффициенту нелинейных искажений низкочастотного сигнала и уровень шумовых составляющих в нем на выходе приемника.

Существует достаточно очевидная взаимосвязь между коэффициентом нелинейных искажений и шумовыми составляющими в низкочастотном сигнале. Основное требование, при малых уровнях входного сигнала – не ухудшить отношение сигнал/шум последующими за усилителем радиочастот (УРЧ) каскадами. Для каскада УРЧ считается допусти-

где n – номер каскада, отсчитываемый от входа приемника.

Невысокий коэффициент усиления УРЧ позволяет практически полностью реализовать коэффициент шума входного каскада, не уменьшая динамического диапазона. Увеличение динамического диапазона добиваются также выбором усилительного элемента, обладающего малым коэффициентом шума и значительным запасом по величине рассеиваемой мощности, что позволяет получать амплитудную характеристику с протяженным линейным участком. Например, в профессиональных приемниках часто в качестве активных элементов каскадов УРЧ применяют высокочастотные биполярные транзисторы средней мощности вместо высокочастотных транзисторов малой мощности.

Распределение усиления по каскадам, обеспечивающее требуемую выходную мощность при заданных искажениях, должно реализовываться одновременно с системой регулирования усиления поддерживающей выбранные условия. Относительное постоянство уровня сигнала на входе детектора приемника можно добиться применением ручного или автоматического регулирования усиления.

Ручное регулирование усиления как составной части технологической регулировки усиления при настройке отдельных узлов приемника (выбор режима активных компонентов, настройка колебательных систем и др.) распространено в детекторах и первых каскадах низкочастотного тракта. При этом регуляторы усиления могут одновременно совме-

575

Напряжение смещения Uбэ0 =U0 − Ерег на базе, определяющее крутизну в рабочей

точке (РТ на проходной характеристике) транзистора (усиление каскада) подается в базовую цепь (рис.10.86а). При увеличении Ерег напряжение Uбэ0 уменьшается, что уменьшает ток в рабочей точке Iк0 (рис.10.86б) и крутизну S0 , что уменьшает коэффициент усиления

каскада. Достоинством такой схемы регулирования усиления является малая потребляемая мощность от источника, создающего напряжение регулирования. Ток от источника напряжения регулирования существенно меньше тока делителя ( I рег<< Iд ), что позволяет

использовать маломощные источники. Конструктивно, в системах автоматического регулирования (АРУ), это может быть отдельно реализованный детектор АРУ или детектор амплитудно-модулированного сигнала, постоянная составляющая тока диода которого создает Ерег. Недостатком такого способа управления усилением каскада является отсутствие с эмиттерной цепи транзистора цепочки температурной стабилизации, что снижает стабильность характеристик усилителя. Резистор в цепи эмиттера создает отрицательную обратную связь (ООС), что поддерживает постоянство режима транзистора по постоянному току (коэффициент усиления). Однако при этом одновременно снижается эффективность регулирования усиления, так как ООС противодействует любому изменению режима транзистора, как от изменения температуры, так и при действии Ерег. Повышение эффективности регулирования усиления при сохранении Rэ можно добиться увеличением

напряжения Ерег.

Включение источника регулирующего напряжения Ерег в цепь эмиттера транзистора (рис.10.84) так же применяется для управления усилением каскада. В этом случае цепь регулировки должна обеспечивать ток примерно равный току Iэ0. При регулировании усиления в нескольких (n) каскадах, ток регулирования составляет сравнительно большую величину I рег ≈ n Iэ0, который должна обеспечивать цепь регулировки, что является недостатком такой схемы.

В качестве элемента регулировки, включаемого непосредственно в усилительный тракт (между усилительными каскадами) могут быть использованы емкостные делители на варикапах, мостовые схемы с варикапами в плечах, диодные аттенюаторы (рис.10.88), обеспечивающие переменный коэффициент передачи.

577

В схеме регулируемого аттенюатора на диодах диоды VD1, VD2 открыты при условии |Eрег | < |U 0|, а диод VD3закрыт; коэффициент передачи при этом максимален. Увеличение |Eрег | приводит к росту динамического сопротивления диодов VD1 и VD2, а динамическое сопротивление диода VD3 уменьшается, снижая коэффициент передачи аттенюатора. Как следует из принципа работы аттенюаторного регулятора, изменение его коэффициента передачи никак не сказывается на характеристиках соседних с ним усилителей.

Часто в транзисторном каскаде регулируют усиление изменением глубины отрицательной обратной связи (рис.10.89). В цепь эмиттера транзистора VT1 введена регулируемая отрицательная обратная связь по переменному току. Глубину отрицательной обратной связи регулируют изменением шунтирования резистора R1 выходным сопротивлением транзистора VT2. Выходное динамическое сопротивление транзистора VT2 управляется напряжением регулирования Ерег. На практике при реализации многокаскадных усилителей необходимо учитывать, что увеличение глубины отрицательной обратной связи (уменьшение коэффициента усиления) приводит к увеличению входного сопротивления каскада. При отсутствии межкаскадной развязки это будет приводить к возрастанию коэффициента усиления предыдущего каскада, снижая эффективность регулирования усиления.

8.2 Автоматическая регулировка усиления

Система автоматической регулировки усиления (АРУ) предназначена для обеспечения малых изменений уровня сигнала на выходе приемника при больших изменениях уровня сигнала на его входе. При динамическом диапазоне входного сигнала 60 90 дБ динамический диапазон, необходимый для нормальной работы выходных оконечных каскадов и устройств, не должен превышать 3 8 дБ. Превышение его приводит к перегрузкам и как следствие к искажениям и даже кратковременной потери передаваемой информации. Прием сигналов с искажениями близкими к предельным значениям приводит к снижению чувствительности приемника.

Как следует из описания способов регулирования усиления, система АРУ должна иметь устройство, вырабатывающее напряжение Ерег, зависящее от уровня сигнала в радиотракте. Таким устройством чаще всего служит амплитудный детектор. Подаваемое на усилительные каскады напряжение Ерег изменяет их коэффициент усиления. Совокупность детектора и фильтра на его выходе, выделяющего постоянную составляющую спектра тока детектора, образует цепь АРУ. В зависимости от принципа действия системы АРУ подразделяются на три класса: обратные, прямые и комбинированные.

Обратная АРУ

Структурная схема обратной АРУ приведена на рис.10.90а.

578

В этой схеме напряжения регулирования Ерег получают обычно в радиовещательных приемниках на выходе оконечного каскада тракта промежуточной частоты из напряжения Uвых и подают на вход регулируемого усилителя (РУ), например, рис.10.83. Детектор АРУ (Д) обеспечивает напряжение регулирования на его выходе пропорциональное напряжению Uвых:

Фильтр АРУ (Ф) выделяет из спектра тока диода детектора медленно изменяющие составляющие, создавая напряжение Ерег. Если цепь АРУ состоит только из детектора и фильтра, то такую АРУ называют простой (рис.10.88а).

Амплитудная характеристика идеального усилителя без АРУ линейна Uвых = К0 Uвх, где К0 – модуль коэффициент усиления резонансного усилителя. Введение простой АРУ приводит к изменению коэффициента усиления регулируемого усилителя при появлении входного сигнала любого уровня Uвых = К0 (Uвх ). Это приводит к уменьшению выходного напряжения РУ, начиная с малых значений амплитуды входного сигнала, когда не требуется осуществлять регулирование коэффициента усиления. Для устранения этого недостатка применяют цепь АРУ с задержкой (рис.10.88а), когда напряжение регулирования Ерег на входе РУ отсутствует, если амплитуда входного напряжения меньше порогового: Uвх < Uпор. В этом случае, для идеальной цепи АРУ с задержкой амплитудная характеристика РУ при Uвх ≥ Uпор приближается к идеальной (штриховая линия, рис10.6а). Если в цепь АРУ включается усилитель до или после детектора, а иногда и одновременно, то АРУ, реализованная по такой схеме, называется усиленной АРУ с задержкой. Включение усилителей может значительно повысить эффективность регулирования (рис.10.88). Однако, во всех случаях обратная АРУ не позволяет получить идеальную характеристику, поскольку для ее функционирования обязательным условием является наличие приращения выходного сигнала. Отсутствие приращения Uвых = 0 приводит к Ерег = const, а, следовательно, К0 = const и выходное напряжение Uвых постоянным. Следовательно, для регулирования коэффициента усиления оно должно быть нарастающим. Такую схему АРУ называют иногда АРУ « с обратной связью».

579