Пропонований підсилювач з автоматичним регулюванням посилення (АРУ) може використовуватися для «м'якого» і з мінімальними спотвореннями обмеження рівня сигналу щодо його пікового значення. Останнє важливо підкреслити: управління посиленням відбувається не по середньоквадратичного значення сигналу, а саме за абсолютним. Це буває необхідно для деяких систем обробки мови, систем зв'язку і т. Д.
Звичайні підсилювачі з АРУ в таких додатках працювати коректно не можуть і, крім того, мають досить високі рівні загальних гармонійних спотворень. Оскільки спираються вони на середньоквадратичний рівень сигналу і, отже, мають затримку реакції АРУ, такі підсилювачі часто відрізняються ще однією вельми неприємною особливістю, яку можна назвати «тимчасове завмирання сигналу» або «схлопування». Цей ефект проявляється в підсилювачі з АРУ, коли схема регулювання посилення починає працювати в режимі захоплення, тобто, коли управління сигналом по зворотного зв'язку АРУ «включено». Це властиве таким підсилювачів властивість, яке проявляється в миттєвому зниженні рівня сигналу з його подальшим повільним наростанням до точки регулювання передавальної характеристики.
Крім того, використовувані зазвичай прості підсилювачі з АРУ по різному реагують на позитивні і негативні напівхвилі сигналу, оскільки, як правило, використовують однополуперіодний випрямляч. Іноді це може бути неприпустимо, наприклад, якщо строго заданий рівень модуляції, або якщо є неприпустимою перевантаження АЦП. Зазначені негативні ефекти повинні бути виключені, особливо в тих системах, які призначені для передачі або обробки мови, де першорядне значення має мовна розбірливість. Принципова схема «м'якого» обмежувача сигналів без перерахованих вище недоліків представлена на рисунку 1.
М'який обмежувач рівня сигналу.
Пристрій складається з регульованого аттенюатора (R4, RDS_VТ1), підсилювача (DA1-1), прецизійного двухполуперіодного випрямляча (DA1-2, DA1-3) і порогового елемента управління (VT2) з ємнісним інтегратором (R7, C4). (RDS_VТ1 - опір каналу VT1). Вхідний сигнал надходить на підсилювач через регульований атенюатор. На відміну від звичайних пристроїв, цей атенюатор необхідно налаштувати таким чином, щоб вхідний сигнал відразу був ослаблений приблизно на 1 дБ. Це повинно бути виконано при відключеною зворотного зв'язку по АРУ. Регулювання проводиться підлаштування резистором R6. Останнє дуже важливо, оскільки саме ця настройка повністю усуває шкідливий ефект, названий вище як «тимчасове завмирання сигналу».
У пропонованому пристрої як регулюючий ланки АРУ використовується p-канальний польовий транзистор (VT1) з великою напругою відсічення (VGS_OFF) і з відповідним опором каналу у відкритому стані (RDS_ON). Оптимальним буде транзистор з VGS_OFF в межах від 3 до 7 В і RDS_ON близько 400 - 200 Ом.
Вибір типу регулюючого транзистора дуже важливий, так як він впливає на зниження ефекту «тимчасового завмирання сигналу».
Опір каналу транзистора VT1 у відкритому стані (RDS_ON) разом з номінальним значенням резистора R4 визначає максимальний динамічний діапазон пристрою в частині глибини регулювання АРУ. Обчислити цей діапазон можна за формулою
Причиною високих загальних гармонійних спотворень звичайних підсилювачів з АРУ є великі нелінійні спотворення, що вносяться регульованим аттенюатором. Знизити ці спотворення можна за допомогою спеціальної додаткової RC-ланцюжка (C3, R13, R14), тобто шляхом введення в регулюючий елемент VT1 негативного зворотного зв'язку по затвору. Друга проблема (реакція на амплітуду будь-якого знака) вирішується шляхом використання схеми прецизійного двухполуперіодного випрямляча.
Важливим елементом ланцюга управління є транзистор VT2, що змінює напругу на затворі транзистора VT1 відповідно до абсолютним рівнем вхідного сигналу. При зниженні напруги на затворі VT1 зменшується його опір, що, відповідно, зменшує коефіцієнт передачі атенюатора. Таким чином, рівень вихідного сигналу схеми не буде перевищувати встановленого значення тих пір, поки напруга на затворі транзистора VT1 не стане рівним нулю. У цьому випадку транзистор VT1 буде повністю відкритий.
Чіткість голосу залежить від постійної час інтегратора (R7, С4), яка може бути підібрана експериментально. Прийнятними для мовного сигналу значеннями будуть R7 = 330 кОм і C4 = 10 мкФ. Підлаштування резистором R12 встановлюється необхідне максимальне значення амплітуди вихідного сигналу. Підкреслимо ще раз, що схема не працює зі середньоквадратичними значеннями! Природно, що максимальна амплітуда вихідного сигналу не може бути менше, ніж поріг включення VT2, для слабкострумових кремнієвих транзисторів рівний приблизно 0.68 В. Саме до цього значення амплітуди підсилювач поводиться як звичайний лінійний, а потім змінює свій коефіцієнт передачі, фіксуючи максимальну амплітуду сигналу на новому рівні, після чого знову працює лінійно без компресії до відновлення інтегратора і нового захоплення. Необхідний рівень вхідного сигналу може бути встановлений вибором відповідного коефіцієнта посилення DA1-1, який можна розрахувати за формулою
Природно, що це справедливо тільки в робочій смузі частот.
Описаний пристрій має дуже малий час відгуку, що становить менше половини періоду вхідного сигналу.
Основні особливості м'якого обмежувача:
- Прецизійний двонапівперіодний випрямляч;
- Граничний елемент управління з інтегратором;
- P-канальний польовий транзистор в якості керуючого елемента атенюатора (VT1) повинен вибиратися з високою напругою відсічення (VGS_OFF);
- Попередньо встановлено робочої точки керуючого транзистора атенюатора (VT1);
- Введення в регулюючий елемент атенюатора негативного зворотного зв'язку, що мінімізує нелінійні спотворення.
Опис використаного в розглянутій схемі двухполуперіодного випрямляча можна знайти в книзі: Л. Фолкенберрі «Застосування операційних підсилювачів і лінійних ІС», Пер. з англ. - М. Мир, 1985. Обидві книги є в Інтернеті і доступні для скачування. В такому випрямлячі для підвищення точності на малих сигналах краще використовувати діоди Шотткі, наприклад, BAS40-04, але для даної схеми це несуттєво.
Значення опору каналу у відкритому стані RDS_ON для малопотужних польових транзисторів не завжди наводиться в специфікаціях, але його легко обчислити через крутизну (S) транзистора, так RDS_ON = 1 / S. До речі, в схемі можна використовувати вітчизняний польовий транзистор КП103М1: S = (1.3 ... 4.4) мА / В, VGS_OFF = (2.8 ... 7) В.
Якщо максимальна амплітуда вихідного сигналу повинна бути меншою від зазначеної в статті значення 0.68 В, то слід змінити коефіцієнт посилення в двопівперіодним випрямлячі. Необхідна посилення встановлюється збільшенням номіналів резисторів R11 і R3 щодо номіналів інших резисторів випрямляча. Для правильної роботи випрямляча не забувайте дотримуватися співвідношення номіналів резисторів R11 = R3, R5 = R1 = R2. При цьому коефіцієнт посилення випрямляча розраховується як KU = R3 / R5.