Автоматическая регулировка усиления на операционном усилителе

Схемы включения операционных усилителей

Прошлая статья открыла цикл статей про строительные кирпичики современной аналоговой электроники – операционные усилители. Было дано определение ОУ и некоторые параметры, также приведена классификация операционных усилителей. Данная статья раскроет такое понятие как идеальный операционный усилитель, и будут приведены основные схемы включения операционного усилителя.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Высококачественное регулирование уровня сигнала является непростой задачей и во многом зависит от качества собственно регуляторов уровня сигналов. В (1) вкратце приведены основные виды регуляторов и их свойства. Подключение регулятора уровня сигнала к ОУ приводит к взаимодействию регулятора и активного элемента схемы, что в ряде случаев ухудшает технические характеристики схемы регулирования уровня сигнала в целом. Ниже будут рассмотрены только резистивные регуляторы уровня сигнала (в силу их высоких технических характеристик) включенные как в пассивном (на входе буфера), так и в активном режиме. В этом разделе влияние активных элементов на регулирование уровня сигнала рассматривается на примерах, в которых в качестве регуляторов уровня сигнала используются потенциометры (непрерывные или ступенчатые) и ступенчатые регуляторы «лестничного» типа без учета нелинейных свойств самих регуляторов.

Регуляторы уровня сигнала пассивного типа

Регуляторы уровня сигнала пассивного типа можно выполнить, используя ОУ в качестве буферного каскада как по схеме неинвертирующего включения, так и по схеме инвертирующего включения. При этом задача активного элемента заключается в обеспечении и сохранении параметров и характеристик регулятора: согласование его выходного сопротивления, обеспечение минимальных шумов и искажений, частотных характеристик. Далее речь пойдет в основном об искажениях вносимых активным элементом, возникающих в процессе регулирования уровня сигнала. О частотных искажениях и шумах для разных способов регулирования в основном будут даны замечания, носящие обобщенный характер

Потенциометрические регуляторы уровня с буферным каскадом на ОУ в неинвертирующем включении

Наиболее часто встречающаяся схема регулирования уровня сигнала – регулятор уровня (потенциометр), за которым следует буферный каскад (ОУ), включенный в неинвертируещем включении. На входах такой схемы (Рис.4) неизбежно появляется синфазный сигнал и, связанные с ним, синфазные токи. Причем значение сопротивления подключаемого к входу ОУ переменно, зависит от угла поворота ручки потенциометра

Зависимость нормированного (от значения R п) выходного сопротивления (в процентах) от коэффициента передачи регулятора Кр можно представить в виде следующего соотношения: R вых(%) = Кр*(1 — Кр)*100, а его график приведен на Рис.3. Как видно из графика кривая симметрична относительно точки Кр = 0,5 (-6дБ). Максимальное значение сопротивления в этой точке равно 0,25 R п или 25% (здесь и далее внутреннее сопротивления источника сигнала считается равным нулю). Это наихудшее положение ручки потенциометра с точки зрения влияния синфазных токов. Наихудшей же зоной с точки зрения нелинейных искажений будет область значений между Кр = 1 и Кр = 0,5

Рис. 3

В верхнем положении ручки потенциометра Кр = 1 и искажения определяются искажениями ОУ в неинвертирующем включении. Далее к ним начинают добавляться искажения, вызванные синфазными токами. Одновременно происходит изменение искажений и в связи с изменением уровня сигнала. Однако рост значения сопротивления в этой зоне более быстрый, чем спад величины напряжения, поэтому в этой зоне происходит быстрый рост искажения. Максимум искажений обычно лежит в области значений Кр = -3дБ ÷ -6дб. В области же значений между Кр = 0,5 и Кр = 0 лежит зона, в которой и сигнал и R вых потенциометра уменьшаются. Поэтому здесь, в этой зоне, искажения сначала медленно, а затем все быстрее уменьшаются

Экспериментально полученные данные, представленные в Таблицах 1, 2 можно распространить с достаточно хорошей точностью и на потенциометрический регулятор уровня. Это хорошо известные в теории линейных цепей соотношения замещения схем представленных на Рис.4 и Рис.2. В среднем положении ручки потенциометра (Кр = 0,5) схему Рис.4 можно заменить на эквивалентную ей схему представленной на Рис.2, в которой R 1= 0,25 R п ( R 2 = 0), а входное напряжение схемы Рис.4 равно удвоенному входному напряжению схемы представленной на Рис.2 ( см часть I)

Применительно к схеме Рис.4 указанные номиналы резисторов и напряжений схемы Рис.2 будут соответствовать для R п: 6кОм, 20кОм и 60кОм, и входному напряжению 2 и 4 вольта. Этот диапазон номиналов потенциометра R п и входных напряжений охватывает наиболее употребительный диапазон используемых резисторов и напряжений на входах усилителей

Далее поведение буферного каскада при регулировании уровня сигнала и будет рассматриваться в этих двух положениях регулятора уровня: в верхнем положении (максимальный уровень сигнала) и в среднем (Кр = 0,5), в котором наблюдаются максимальные синфазные токи. Такой подход хорошо согласуется с практикой использования идеализированных потенциометров для большинства микросхем и, не загромождая таблицы большим количеством данных, позволяет по двум точкам оценить поведение микросхем в регуляторе. Влияние реальных параметров потенциометра на искажение буферного каскада будет показано далее на примере ограниченного числа микросхем

Экспериментальные данные нелинейных искажений соответствующие этим двум точкам приведены в Таблице 3. В ней в строке Кг0 приведены нелинейные искажения для схемы Рис.4 в верхнем положении движка потенциометра R п, а в строках Кг1, Кг2, Кг3 нелинейные искажения для среднего (Кр = 0,5) положении движка потенциометра R п. Значения номинала потенциометра R п указаны рядом в скобках. Все данные кроме Кг0 для четырех вольт заимствованы из Таблицы 1

Анализируя поведение коэффициента гармоник в зависимости от значения номинала потенциометра R п можно увидеть два вида, характера этой зависимости. В соответствии с чем, и выделим две группы микросхем и рассмотрим характерное поведение коэффициента гармоник для каждой группы в отдельности

Анализ поведения коэффициента гармоник для первой группы микросхем

К первой группе и самой многочисленной можно отнести все микросхемы кроме AD 8620, NE 5532, AD 826, AD 8599, LM 6171. Для этой группы для среднего (Кр = 0,5) положения движка потенциометра R п нелинейные искажения уже довольно резко возрастают при значении номинала R п = 6кОм и еще более увеличиваясь с его ростом. Зависимость эта для микросхем AD 825, LT 1220, JRC 2114, OP 275, OPA 2134 достаточно линейная. Несколько больше нелинейную зависимость имеют микросхемы «пороговой» группы: LME 49710, AD 8066, LME 49860, THS 4062

Зависимость искажения от входного напряжения для большинства микросхем так же достаточно линейна. Несколько более нелинейно ведут себя микросхемы, отнесенные к группе «пороговых»

Лучшая микросхема в этой группе LME 49860. У нее нелинейные искажения при R п = 6кОм, 20кОм (2 вольта) укладываются в диапазон стотысячные. Для AD 8066, LME 49710 это условие выполняется только при R п = 6кОм и входном напряжении 2 вольта

Анализ поведения коэффициента гармоник для второй группы микросхем

Ко второй группе отнесены микросхемы AD 8620, NE 5532, AD 826, AD 8599, LM 6171. Эти микросхемы обладают общей для них особенностью: у этих микросхем при номинале резистора потенциометра R п = 6кОм в среднем положении ручки потенциометра практически не происходит рост нелинейных искажений (они не превышают значений в верхнем положении)

Эта особенность поведения регулятора, скорее всего, вызвана тем, что по мере перемещения движка потенциометра R п возрастающие при этом искажения вызванные «синфазным» током частично компенсируются искажениями общего вида

Из данных Таблицы 3 видно, что у микросхем данной группы при R п = 6кОм с изменением положения ручки потенциометра от верхнего положения к среднему нелинейные искажения уменьшаются, а при R п = 20кОм для микросхем AD 8620, NE 5532, AD 8599 искажения не ухудшаются

Используя это свойство на базе этой группы микросхем можно построить довольно качественные регуляторы. Лучшая микросхема из всех тестируемых и в этой группе LM 6171. У нее нелинейные искажения при R п = 6кОм и при R п = 20кОм (2 вольта) укладываются в диапазон стотысячные, а при R п = 60кОм в диапазон десятитысячные. Несколько уступает ей NE 5532, далее следуют AD 8620 и AD 826. Хочу еще раз обратить ваше внимание, что высокие параметры этой группы достигаются взаимной компенсацией искажений различных их составляющих, которые могут зависеть от конкретного экземпляра микросхемы, а так же от режима работы каскада. Зависимость искажения от входного напряжения для большинства микросхем данной группы так же достаточно линейна

С целью иллюстрации взаимной частичной компенсации искажений для микросхемы NE 5532 был проведен эксперимент, результаты которого приведены в графическом представлении на Рис.6. На нем представлена зависимость коэффициента гармоник каскада собранного по схеме Рис.2 ( R 2 = 0) для ряда резисторов на входе ОУ и входного напряжения 1 и 2 вольта. Маркеры на графиках (зеленый цвет) соответствуют следующему ряду сопротивлений: 0; 0,1кОм; 0,249кОм; 0,5кОм; 1кОм; 1,5кОм; 2,26кОм; 5кОм. Из графиков видно, что минимум искажений соответствует сопротивлению 1,5кОм, а граница зоны, в которой коэффициент гармоник не выходит за пределы искажений начального значения примерно 3,5кОм. Таким образом, из приведенных графиков видно, что оптимальное значение номинала сопротивления потенциометра при котором будут наблюдаться минимальные искажения R п = 6кОм, а зона его приемлемого значения – до 15кОм

Рис. 6

Это свойство взаимной компенсации гармоник синфазным током у ряда микросхем может быть использовано для минимизации гармонических искажений в повторителях напряжений, в каскадах, использующих на входе ОУ RC цепочки и в ряде иных схем

Пути снижения искажений буферного каскада в данном способе регулирования уровнем сигнала очевидны. С одной стороны это компромиссы: уменьшение входного напряжения, уменьшение номинала сопротивления потенциометра, выбор соответствующей микросхемы

Другой путь: подбор режима работы для микросхем, у которых возможна взаимная компенсация, составляющих искажений

Уменьшить влияние каскада на искажения в данном способе регулирования уровнем сигнала можно и симметрированием входов ОУ в соответствии со схемой, представленной на Рис. 5. Для этого необходим сдвоенный потенциометр, что конечно усложнит конструкцию

Здесь так же поведение буферного каскада при регулировании уровня сигнала рассматривается в двух положениях движка регулятора уровня: в верхнем положении и в среднем (Кр = 0,5). Однако в этом случае, как будет показано ниже, реальные параметры потенциометра могут оказать существенное влияние на симметричность входных цепей что, в конечном счете, отразится и на уровне искажений буферного каскада

Экспериментальные данные нелинейных искажений для схемы, представленной на Рис. 5 приведены в Таблице 4. В ней так же в строке Кг0 приведены нелинейные искажения для верхнего положения движка потенциометра R п, а в строках Кг4, Кг5, Кг6 – для среднего (Кр = 0,5). Значения номинала сдвоенного потенциометра R п указаны рядом в скобках. Все данные кроме Кг0 для четырех вольт заимствованы из Таблицы 1 для симметричного режима

Автоматическая регулировка усиления на операционном усилителе

Операционные усилители в источниках питания – типы и математика работы

Операционные усилители являются важным элементом схемотехники источников питания, прежде всего – в части построения систем обратной связи и регулировки выходного напряжения, тока, мощности, схемы обратной связи по току. Из большого числа типов операционных усилителей в силовой электронике применяются следующие классы ОУ:

— ОУ общего применения (индустриальные LM324, LM358);

— ОУ с однополярным питанием;

— ОУ с широким диапазоном выходного напряжения – усилители так называемого класса rail-to-rail (R2R).

Другие классы ОУ при построении источников питания используются существенно реже. Условное обозначение операционного усилителя представлено на рисунке OPAMP.1.

Рисунок OPAMP.1 — Условное обозначение операционного усилителя

Операционный усилитель – это математический прибор, обеспечивающий выполнение математических операций с аналоговыми сигналами. Отдельный операционный усилитель содержит:

При отсутствии обратной связи напряжение на выходе V_out в математически идеальном ОУ связано с напряжением на входе следующим образом:

V_out – напряжение на выходе ОУ;

V₊ – напряжение на неинвертирующем (+) входе;

V₋ – напряжение на инвертирующем (-) входе;

G_openloop — коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи.

В реальном ОУ максимальное выходное напряжение ограничивается величиной напряжения питания. Режим без обратной связи практически не используется (т.к. он в принципе не нужен), а используются схемы с обратной связью, основными из которых являются:

— схема неинвертирующего усилителя;

— схема инвертирующего усилителя;

— схема дифференциального усилителя.

Основные параметры операционного усилителя

1. Напряжение питания (Supply Voltage) V – напряжение питания операционного усилителя. Обычно указывают минимальный уровень напряжения, при котором еще возможна работа ОУ и максимальное значение между «+» и «-» входами питания выше которого усилитель выходит из строя.

2. Максимальное дифференциальное входное напряжение (Differential Input Voltage) – максимальное напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ.

3. Максимальное входное напряжение (Input Voltage) – максимальное напряжение на любом из входов ОУ.

4. Максимальная рассеваемая мощность (Power Dissipation) – максимальная мощность рассеваемая корпусом ОУ.

5. Входной ток ОУ (Input Current) – величина тока входов операционного усилителя. В ОУ с входными каскадами на биполярных транзисторах выходной ток может зависеть от полярности напряжения: при положительных входных напряжениях он будет незначительным (единицы-десятки мкА), а при отрицательных напряжениях относительно «–» напряжения питания – составлять десятки мА.

6. Напряжение смещения (Input Offset Voltage) – максимальная разность напряжений между «+» и «-» входами ОУ в линейном режиме работы в составе одной из схем с положительной обратной связью. Этот параметр характеризует точность (прецезионность) ОУ.

7. Входной ток смещения, эквивалентный входной ток (Input Bias Current) – входной ток в линейном режиме работы.

8. Разность входных токов (Input Offset Current) – разность между входными токами ОУ.

9. Диапазон входных напряжений (Input Common-Mode Voltage Range) – показывает минимальное и максимальное напряжения на входах ОУ при условии работы в линейном режиме.

10. Потребляемый ток (Supply Current) – ток питания ОУ. Как правило, указывается ток собственного потребления ОУ без нагрузки.

11. Статический коэффициент усиления при большом сигнале (Large Signal Voltage Gain) – показывает отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему это изменение изменению разности потенциалов между входами ОУ.

12. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (common-mode rejection ratio).

13. Коэффициент подавления пульсаций напряжения питания (power supply rejection ratio).

14. Коэффициент связи между ОУ – для нескольких ОУ и одном корпусе (Amplifier-to-Amplifier Coupling).

15. Выходной ток цепи источника питания/цепь стока (Output Current Source/Sink).

Основные схемы включения операционных усилителей

Схема неинвертирующего усилителя

На рисунке OPAMP.2 изображена электрическая схема неинвертирующего усилителя на ОУ и её частный случай — повторитель напряжения. Резисторы R1 и R2 образуют резисторный делитель, обеспечивающий отрицательную обратную связь – часть напряжения с выхода ОУ поступает на инвертирующий вход усилителя. Коэффициент усиления регулируется глубиной обратной связи – коэффициентом деления резисторного делителя. Если же напряжение с выход ОУ напрямую подается на инвертирующий вход, то получается схема повторителя напряжения. Преимуществом схемы неинвертирующего усилителя является высокое входное сопротивление, отсутствие инверсии сигнала.

Рисунок OPAMP.2 — Схема неинвертирующего усилителя (a) и повторителя напряжения (b)

Схема инвертирующего усилителя

На рисунке OPAMP.3 изображена электрическая схема инвертирующего усилителя на ОУ. Здесь отрицательная обратная связь обеспечивается за счет резистора R2 соединенного с выходом микросхемы ОУ.

Недостатками схемы является низкое входное сопротивление, полностью определяемое сопротивлением R1 и инверсия входного сигнала.

Рисунок OPAMP.3 — Схема инвертирующего усилителя

Схема дифференциального усилителя

Схема дифференциального усилителя на ОУ (рисунок OPAMP.4) усиливает разность между входными напряжениями. Входное сопротивление схем определяется резистором R1 для входа 1 и суммой сопротивлений R1’ и R2’ для входа 2. Видно, что в общем случае в данной схеме перестановка входных сигналов местами изменяет результат – выходное напряжение. И лишь при равенстве сопротивлений резисторов:

Выходное напряжение равно:

Рисунок OPAMP.4 — Схема дифференциального усилителя

Схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя

Схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя представлена на рисунке OPAMP.5. Величина R_L – внутреннего нагрузочного сопротивления, выбирается в разумных пределах исходя из требования, что рабочий ток через него не будет превышать максимальный выходной ток ОУ (как правило, 10-50% от максимального выходного тока). Диоды VD1 и VD2 выбираются одного типа и с максимально близкими вольт-амперными характеристиками.

Рисунок OPAMP.5 — Схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя усилителя (единичный коэффициент усиления, R_L – внутренне нагрузочное сопротивление, выбирается в соответствии с параметрами ОУ)

Виртуальный ноль для питания операционных усилителей

В ряде случаев, когда необходимо обеспечить биполярное питание операционного усилителя при наличии только одного источника питания (с двумя выводами – положительным и отрицательным). Наиболее простым решением по созданию виртуального нуля (искусственной средней точки) является использование резисторного делителя (рисунок OPAMP.6) с буферными конденсаторами для сглаживания импульсных нагрузок. Схемы с операционным усилителем обеспечивают четкую фиксацию напряжения средней точки даже при значительном «перекосе фаз» т.е. большой разности токов потребляемых от «плюсового» и от «минусового» выводов. При значительных потребляемых токах можно использовать схему с дополнительным токовым буфером, выполненным на двух комплементарных транзисторах. В схеме можно использовать недорогие и доступные ОУ общего применения, такие как LM324, LM358. Другим преимуществом схемы является меньшее потребление энергии, что важно при питании от гальванических батарей.

Рисунок OPAMP.6. Схемы формирования виртуального нуля (искусственная средняя точка) для питания операционных усилителей

Блок питания УНЧ

Силовой трансформатор должен быть тороидальный для лучшей производительности и минимума помех. Усилитель предназначен для максимально питания +/-35В, и это значение не должен быть превышено. Трансформатор должен быть рассчитан на 25-0-25 вольт, и не более того. Меньше — нормально, если полных 100 Вт не нужно. Мощность трансформатора должна быть 150VA (3 A тока вторички). Более 250VA — это излишество. Используйте хорошего качества электролиты фильтра БП, поскольку они будут подвергнуты нагрузкам по току и температуре. Ток диодного мостового выпрямителя должен быть 35 A. Тип крепления — на шасси с термопастой.

Все предохранители должны быть такими, как указано по схеме — не поддавайтесь искушению использовать более мощные. Входные и выходные соединения показаны на рисунке.

Гнёзда Preamp out и power amp in позволяют вставлять в звуковой тракт эффекты, такие как сжатие, реверберация, цифровые эффекты и другие. Выход предварительного усилителя подключен так, что предусилитель сигнала могут быть извлечены без отключения усилителя мощности, поэтому может быть использован для прямой подачи звука. Это особенно полезно для баса. Выход предусилителя выход может быть использован и для другого усилителя мощности.

Принцип работы

Для того, чтобы продемонстрировать, как работает быстродействующий компаратор с гистерезисом, нужно взять схему с двумя выходами.

Фото — схема работы компаратора

Схема включения, по которой можно понять принцип работы компаратора, показана выше. Используя аналоговый сигнал во + входе, именуемым «неинвертируемым», и выходе, который называется под названием «инвертируемый», устройство использует два аналогичных разнополярных сигнала. При этом если аналоговый вход больше, чем аналоговый выход, то выход будет «1», и это включит открытый коллектор транзистора Q8 на эквивалентной схеме LM339, которую нужно включить. Но, если вход находится на отрицательном уровне, то сигнал будет равняться «0», из-за чего, коллектор будет находиться в закрытом виде.

Практически всегда двухпороговый или фазовый компаратор (например, на транзисторах, без усилителя) воздействует на входы в логических цепях, соответственно, работает по уровню определенной сети питания. Это своеобразный элемент перехода между аналоговыми и цифровыми сигналами. Такой принцип действия позволяет не уточнять определенность или неопределенность выходов сигналов, т. к. компаратор всегда имеет некий захват петли гистерезиса (независимо от её уровня) или окончательный коэффициент усиления.

Радиоприемники AM

В 1925 году Гарольд Олден Уиллер изобрел автоматический регулятор громкости (AVC) и получил патент. Карл Кюпфмюллер опубликовал анализ систем AGC в 1928 году. К началу 1930-х годов большинство новых коммерческих радиовещательных приемников включали автоматическую регулировку громкости.

AGC является отклонением от линейности в радио AM приемников . Без АРУ AM-радио будет иметь линейную зависимость между амплитудой сигнала и формой звуковой волны — амплитуда звука , которая коррелирует с громкостью, пропорциональна амплитуде радиосигнала, потому что информационное содержание сигнала переносится изменениями амплитуда несущей волны . Если бы схема не была достаточно линейной, модулированный сигнал не мог бы быть восстановлен с разумной точностью . Однако мощность принимаемого сигнала будет широко варьироваться в зависимости от мощности и расстояния передатчика , а также затухания на пути сигнала . Схема АРУ ​​предотвращает слишком большие колебания выходного уровня приемника, определяя общую мощность сигнала и автоматически регулируя усиление приемника для поддержания выходного уровня в приемлемом диапазоне. Для очень слабого сигнала АРУ ​​работает с приемником с максимальным усилением; по мере увеличения сигнала АРУ ​​снижает усиление.

Обычно невыгодно уменьшать усиление входного радиочастотного интерфейса приемника для более слабых сигналов, поскольку низкое усиление может ухудшить отношение сигнал / шум и блокировку ; поэтому многие конструкции уменьшают усиление только для более сильных сигналов.

Поскольку диод AM-детектора вырабатывает постоянное напряжение, пропорциональное силе сигнала, это напряжение может подаваться обратно на более ранние каскады приемника для уменьшения усиления. Требуется сеть фильтров, чтобы аудиокомпоненты сигнала не влияли заметно на усиление; это предотвращает «усиление модуляции», которое увеличивает эффективную глубину модуляции сигнала, искажая звук. Приемники связи могут иметь более сложные системы AVC, включая дополнительные каскады усиления, отдельные детекторные диоды АРУ, разные постоянные времени для вещательных и коротковолновых диапазонов, а также приложение разных уровней напряжения АРУ к разным каскадам приемника для предотвращения искажений и перекрестной модуляции. Дизайн системы AVC оказывает большое влияние на удобство использования приемника, характеристики настройки, точность воспроизведения звука и поведение при перегрузке и сильных сигналах.

FM-приемники, даже несмотря на то, что они включают каскады ограничителей и детекторы, которые относительно нечувствительны к колебаниям амплитуды, по-прежнему выигрывают от АРУ для предотвращения перегрузки при сильных сигналах.

Радар

Связанное с этим применение AGC — в радиолокационных системах как метод преодоления нежелательных отраженных сигналов от помех . Этот метод основан на том факте, что количество возвращаемых беспорядков намного превышает количество эхо-сигналов от интересующих целей. Усиление приемника автоматически регулируется для поддержания постоянного уровня видимых помех. Хотя это не помогает обнаруживать цели, замаскированные более сильными окружающими помехами, это помогает различать сильные источники целей. В прошлом АРУ радара управлялись электроникой и влияли на усиление всего приемника радара. По мере развития радаров система AGC стала управляться программно и с большей степенью детализации в определенных ячейках обнаружения. Многие радиолокационные контрмеры используют AGC радара, чтобы обмануть его, эффективно «заглушая» реальный сигнал с помощью имитации, поскольку AGC будет рассматривать более слабый, истинный сигнал как помеху по сравнению с сильной имитацией.

Аудио видео

Аудиолента генерирует определенное количество шума . Если уровень сигнала на ленте низкий, шум более заметен, т. Е. Отношение сигнал / шум ниже, чем могло бы быть. Для получения наименее шумные записей, уровень записи должен быть установлен как можно выше, не будучи настолько высокими, чтобы клип или исказить сигнал. При профессиональной записи с высокой точностью уровень устанавливается вручную с помощью измерителя пиковых значений. Когда высокая точность не является требованием, подходящий уровень записи может быть установлен с помощью схемы АРУ, которая снижает усиление по мере увеличения среднего уровня сигнала. Это позволяет делать удобную запись даже для речи на некотором расстоянии от микрофона диктофона. Аналогичные соображения применимы и к видеомагнитофонам .

Потенциальным недостатком AGC является то, что при записи чего-то вроде музыки с тихими и громкими пассажами, например классической музыки, AGC будет делать тихие пассажи громче, а громкие — тише, сжимая динамический диапазон ; результатом может стать снижение качества музыки, если сигнал не будет повторно расширен при воспроизведении, как в системе компандирования .

Некоторые катушечные магнитофоны и кассетные деки имеют схемы АРУ. Те, которые используются для высокой точности, обычно этого не делают.

Большинство схем видеомагнитофона используют амплитуду вертикального запирающего импульса для работы АРУ. Схемы управления копированием видео, такие как Macrovision, используют это, вставляя пики в импульс, которые игнорируются большинством телевизоров , но заставляют АРУ видеомагнитофона излишне исправлять и искажать запись.

Вогад

Устройство регулировки усиления с голосовым управлением или устройство регулировки усиления с регулировкой громкости (vogad) — это тип АРУ или компрессора для усиления микрофона . Обычно он используется в радиопередатчиках для предотвращения перемодуляции и уменьшения динамического диапазона сигнала, что позволяет увеличить среднюю передаваемую мощность. В телефонии это устройство принимает широкий спектр входных амплитуд и выдает в целом согласованную выходную амплитуду.

В своей простейшей форме ограничитель может состоять из пары встречных ограничивающих диодов , которые просто шунтируют избыточную амплитуду сигнала на землю, когда превышается порог проводимости диода. Этот подход просто отсекает верхнюю часть больших сигналов, что приводит к высоким уровням искажений.

В то время как ограничители ограничения часто используются как форма последней защиты от перемодуляции , правильно спроектированная схема Vogad активно контролирует величину усиления для оптимизации глубины модуляции в реальном времени. Помимо предотвращения перемодуляции, он повышает уровень тихих сигналов, так что также предотвращается недомодуляция. Недостаточная модуляция может привести к плохому проникновению сигнала в шумных условиях, поэтому vogad особенно важен для голосовых приложений, таких как радиотелефоны .

Хорошая схема vogad должна иметь очень быстрое время атаки , чтобы начальный громкий голосовой сигнал не вызывал внезапного всплеска чрезмерной модуляции. На практике время атаки будет составлять несколько миллисекунд, поэтому иногда требуется ограничитель ограничения, чтобы поймать сигнал на этих коротких пиках. Обычно используется гораздо большее время затухания, чтобы усиление не увеличивалось слишком быстро во время обычных пауз в естественной речи. Слишком короткое время затухания приводит к феномену « дыхания », когда уровень фонового шума увеличивается с каждым перерывом в речи. Цепи Vogad обычно настраиваются так, что при низких уровнях входного сигнала сигнал не усиливается полностью, а вместо этого следует линейной кривой усиления. Это хорошо работает с микрофонами с шумоподавлением .

Телефонная запись

Устройства для записи обеих сторон телефонного разговора должны записывать как относительно сильный сигнал от локального пользователя, так и гораздо меньший сигнал от удаленного пользователя при сопоставимой громкости. Некоторые телефонные записывающие устройства включают автоматическую регулировку усиления для обеспечения приемлемого качества записи.

Биологические

Как и в случае со многими концепциями инженерии, автоматическая регулировка усиления также встречается в биологических системах, особенно в сенсорных системах. Например, в зрительной системе позвоночных кальциевая динамика в фоторецепторах сетчатки регулирует усиление в соответствии с уровнем освещенности. В дальнейшем в зрительной системе считается, что клетки в V1 взаимно подавляют, вызывая нормализацию ответов на контраст, форму автоматического контроля усиления. Аналогичным образом , в слуховой системе , что olivocochlear эфферентных нейроны являются частью биомеханического контура регулировки усиления.

Простой сверхлинейный УМ "Ностальгия" или наш ответ параллельникам Агеева.

. В давние лохматые времена усилители на "германских" транзисторах по топологии Лина мы называли просто и емко — пылесосы.
После этих "пылесосов" УМ "Агеев-82" казался просто чудом для начинающих радиогубителей — он был прост, как велосипед, не требовал дефицитных деталей, работал сразу после сборки, не требовал регулировок, звучал отлично и был надежен, как танк, несмотря на то, что разогревал небольшие радиаторы до 70-80 градусов и был при этом термостабилен..
Мягкое звучание, возможно, связано с тем, что на "первом ватте" и ниже параллельный усилитель (Diamond Buffer) был достаточно линеен, и мизерного петлевого усиления схемы хватало для его дальнейшей линеаризации.
Многие отмечали, что с хорошими ОУ (тогда — 544УД2, 574УД1) он звучал приятнее большинства схем из Радио тех времен.
Не исключаю тут момента субъективности и предвзятости, видимо нужно еще раз собрать усь по оригинальной схеме тридцатисемилетней давности и сравнить с .

Исходная постановка задачи — сделать простую проверенную схему сверхлинейной, но при этом не переусложнить ее.
Т.е. добавить только самое необходимое, и ни грамма больше, чтобы схема была доступной и простой в сборке и настройке.

Как уже было неоднократно показано и доказано у нас на форуме, самый эффективный способ линеаризации любого усилителя — набор петлевого усиления. Есть и другие подходы, но они сложнее, и в данном случае не подходят.

1. Линеаризация "параллельника" диодом между базами выходников (Агеев-82) приводит к значительному повышению искажений.
2. Вольтодобавка в ВК намного эффективнее. Обходится недорого — 2 резистора+2 конденсатора.
3. Двухэтажное питание и ГСТ в плечах параллельника еще лучше, но усложнять схему нельзя по условиям задачи.
4. Для линеаризации простого параллельного усилителя, имеющего собственный Кг порядка 0,1-0,2%, нужно, как минимум, 80 дБ петлевого усиления. Лучше — 100дБ.

Rus2000

• 12 Авг 2019

• #2

Исходя из всего вышесказанного, был спроектирован очень простой сверхлинейный усилитель мощности на двух ОУ и четырех транзисторах

Глубина ОООС на частоте 20кГц — 97дБ.
Усилитель инвертирующий, что снимает особые требования к входному каскаду первого ОУ композита.
Питание второго ОУ — плавающее. Это позволило получить на выходе ОУ требуемый размах сигнала для раскачки ВК.
Выходной повторитель — параллельный усилитель с вольтодобавкой.
Термостабильность ВК обеспечивается за счет хорошего теплового контакта выходников с драйверами. Идеальный вариант установки транзисторов на радиатор — парами Т1+Т4 и Т2+Т3, каждая пара на отдельной медной пластине без изолирующих прокладок максимально близко друг к другу, а уже медные пластины крепятся на радиатор через изолирующие прокладки.
Можно и без этих сложностей, но термостабильность будет похуже, т.е. радиатор потребуется побольше.
Не смотрите на то, что тут всего два каскада повторителей — на самом деле их четыре, просто еще два спрятаны в ОУ.

АЧХ усилителя:

Петлевое усиление:

Интермоды при выходной мощности 25Вт/8Ом:

На "первом ватте" все еще красивее примерно на 15дБ.

Меандр без входного ФНЧ:

Наверное, эта схема может стать отличным вариантом в теме "Усилитель для полочной АС". Потребуется только пересчитать номиналы под питание 2х18В, и уточнить коррекцию в случае изменения Ку схемы.

Rus2000

• 12 Авг 2019

• #3

Rus2000

• 12 Авг 2019

• #4

Rus2000

• 12 Авг 2019

• #5

Схема с единым плавающим питанием выхода УН и драйверов ВК:

ЛТС спотыкается на этой схеме. Не выруливает при входном напряжении более 1.3-1.5 вольта.

Rus2000

• 12 Авг 2019

• #6

voron

Постоялец

• 12 Авг 2019

• #7

1. Преврати даймонд в сверхлинейник, просто использовав опер в режиме единичного усиления (без делителя в ОС).
2. Питай смещение даймонда и летающий опер от одной вольтодобавки.

3. Обрати нагрузку с питанием — выход повторителя заземли, а силовое питание пусть летает.
В этом случае даймонд не летает и его смещение можно брать от питания предвака.
Обращение нагрузки с питанием позволяет обойтись одним опером. Есно, с параллельной ООС.

Rus2000

• 12 Авг 2019

• #8

1. Тогда нужно делать плавающим питание первого ОУ, т.к. иначе он не раскачает выхлоп, имеющий Ку=1.
2. Это можно и, наверное, нужно сделать.
3. Это получится ОЭ на выхлопе — жди беды..
4. Одного ОУ недостаточно. Во-первых, 40дБ петлевого не линеаризуют ВК в достаточной степени, а во-вторых, разностная составляющая на самом входе уся слишком велика и не дает снизить искажения входного каскада.

voron

Постоялец

• 12 Авг 2019

• #9

Для понятности:

Да вообще — УН тут просто другой. Хоть с управлением через питание.

Ну, разумеется. Но вы ж тут спецы как раз в этом аспекте
Но добавочное усиление ОЭ позволяет разогнать петлю с не самым злым ОУ.
А превращение преда в неинвертирующий позволяет использовать нестандартные ходы (хоть и независимым ВЧ каналом).

Это как считать. И как посмотреть на проблему.

ХИНТ: малое входное напряжение на обращённом даймонде позволяет напрямую использовать сверхбыстрые опера.
И снизить питание предвака да хоть до +- 5.

По сути — единственный недостаток тут, это летающий мощный питатель. Но на это у меня есть отдельное соображение: обрати внимание на дату, проставленную на схеме.
Слепив эту байду, я тогда же пришёл к выводу, что перевернув схему с питанием, надо переворачивать и конструктив.
Для этого надо питатель делать импульсный — причём, импульсные трансы индивидуальные для каждого канала, ставить прямо на плате оконечного модуля. Общее — только сетевой выпрямитель и мощный генератор меандра. А вся вторичка — индивидиуальная для каждой платы.

Я тогда болел квадрой (привет хоум театрам) — и мне нужно было четыре канала. И проще решить это на уровне законченного модуля.

ХИНТ: очень важное замечание относительно ИП.

Фишка в том, что при равных габаритах, для одной серии электролитов габарит пропорционален CU, а энергия — CU^2.
То есть, банки одинаковых размеров хранят энергии больше — пропорцинально разнице в напряжениях.
Потому очень выгодно всю энергию хранить на верхней стороне, а внизу ставить только фильтрующие ёмкости.

Ну, и попутно: питатель должен быть нестабилизированным — только трансформация. Что достигается простым меандром без ШИМа.
При таких условиях помех практически нет — питание же намного энергичней, чем с железной классикой (ввиду очень значительного уменьшения внутреннего сопротивления и отсутствия просадки).

Плюс к этому — ещё такой бонус, как общее хранилище энергии для всех каналов. Что дополнительно увеличивает музыкальную энергетику.