Принцип автоматической регулировки усиления в приемниках (АРУ).

Напряжение входного сигнала приёмника может изменяться в очень больших пределах на 40…80 дБ (10²…10⁴ раз), что вызывает изменение уровня, а, следовательно, и мощности сигнала на выходе приёмника. Для защиты оконечных устройств от перегрузки необходимо регулировать усиление приёмника в таких же пределах. Ручная регулировка усиления позволяет обеспечить нормальную работу приёмника только при очень медленных изменениях уровня входного сигнала, например, при перестройке с одной радиостанции на другую, да и то – сопряжена с эксплуатационными неудобствами. При больших скоростях изменения уровня входного сигнала, например при быстрых замираниях радиоволн, необходимо использовать автоматическую регулировку усиления (АРУ).

Таким образом, АРУ должна обеспечить относительное постоянство напряжения сигнала на выходе детектора и приёмника при изменении напряжения сигнала на входе РПУ.

Рассмотрим наиболее часто применяемую инерционную систему АРУ непрерывного действия с обратным регулированием (за счёт обратной связи по постоянному току) (Рис.2).

Рис.2 Структурная схема АРУ.

Приведённая на Рис.2 схема АРУ обеспечивает уменьшения усиления УРЧ и УПЧ при увеличении уровня входного сигнала U_ВХ и, наоборот, увеличение усиления при снижении уровня сигнала. Регулировка осуществляется за счёт отбора энергии полезного сигнала U_С и преобразования его в постоянное регулирующее напряжение U_РЕГ, изменяющееся пропорционально амплитуде входного сигнала U_ВХ. Этим напряжением регулируется усиление каскадов УРЧ и некоторых каскадов УПЧ так, чтобы уровень выходного напряжения U_ВЫХ практически не изменялся.

Сигнал промежуточной частоты U_С = U_ПР с выхода УПЧ детектируется амплитудным детектором АРУ (АД_АРУ) и фильтруется в ФНЧ с постоянной времени t_ФНЧ = 0,1…0,3 сек.

Большее значение t_ФНЧ > 0,3 сек приведёт к недопустимому увеличению инерционности системы АРУ, что будет заметно на слух при резком изменении уровня входного сигнала.

Меньшее значение t_ФНЧ < 0,1 сек, из-за недостаточной фильтрации звуковых частот может привести к демодуляции сигнала и появлению искажений.

Регулировка усиления каскадов может осуществляться различными способами:

- изменением крутизны характеристики усилительных элементов (К_U = S R_Н);

- изменением сопротивления нагрузки усилительных элементов (К_U = S R_Н);

- изменением напряжения питания усилительных элементов (К_U ~ Е_К).

Два последних способа менее эффективны, так как пределы регулировки усиления не превышают 2…4 раза на один каскад. Регулировка за счёт изменения режима работы транзистора по базовой цепи (изменением крутизны входной динамической характеристики) позволяет изменять усиление каскада в 8…10 раз.

– 3 -

Для этой цели разработаны специальные транзисторы с переменной крутизной, в которых растянутый начальный участок входной динамической характеристики позволяет плавно и в широких пределах изменять её крутизну (Рис.3). К таким транзисторам можно отнести ГТ328, ГТ346, КТ3127, КП307 и много других.

На Рис.3 видно, что при увеличении начального базового смещения U’_0Б > U_0Б рабочая точка перемещается на участок с большей крутизной входной динамической характеристики. При этом амплитуда базового тока увеличивается I’_Бm > I_Бm за счёт увеличения усиления транзистора.

Изменение U_0Б происходит автоматически по системе АРУ при помощи регулирующего напряжения U_РЕГ.

Рис.3 Пояснение принципа регулировки усиления транзистора изменением напряжения базового смещения U_0Б.

При выборе каскадов для регулировки усиления в системе АРУ необходимо учитывать следующее:

1. Амплитуда усиливаемого сигнала должна быть малой, чтобы использование нелинейных участков характеристик транзисторов не привело к появлению нелинейных искажений. С этой точки зрения пригодны все каскады УРЧ и первые каскады УПЧ.

2. Нельзя использовать в качестве регулируемых узкополосные полосовые усилители с нагрузкой в виде ФСС или пьезофильтров. Значительное изменение режимов работы транзисторов может привести к изменению межэлектродных ёмкостей транзистора, а следовательно к расстройке избирательной системы.

3. Нельзя регулировать усиление в смесительных каскада преобразователей частоты, так как при этом нарушается оптимальный режим их работы.

На Рис.4 приведены амплитудные характеристики приёмника для различных типов АРУ.

Если в приёмнике отсутствует АРУ, то зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного U_ВЫХ = ƒ(U_ВХ) соответствует кривой 1. При слабых сигналах она линейна, а при сильных в последних каскадах приёмника наступает перегрузка и усиление приёмника уменьшается, что приводит к появлению искажений.

- 4 -

При наличии простой АРУ (кривая 2) регулирующее напряжение создаётся и используется при любых амплитудах входного сигнала. Недостатком простой АРУ является то, что усиление приёмника снижается не только для сильных сигналов, но и для самых слабых (хотя и в меньшей степени), для приёма которых необходимо использовать полное усиление приёмника.

Рис.4 Амплитудные харктеристики приёмника. 1 – без АРУ; 2 – с простой АРУ; 3 – при задержанной АРУ; 4 – при задержанной и усиленной АРУ.

Этот недостаток устраняется в задержанной АРУ (кривая 3), где регулирование начинается тогда, когда напряжение на входе приёмника достигнет определённого уровня. Подобный режим можно получить, если подать на диод детектора АРУ некоторое запирающее напряжение, называемое напряжением задержки U_ЗАД. Его обычно выбирают равным амплитуде напряжения на входе детектора, которое соответствуюет номинальной чувствительности приёмника U_ЗАД = U_ВХ.МИН. Таким образом при увеличении уровня сигнала от 0 до U_ВХ.МИН система АРУ не действует и увеличение выходного напряжения происходит по кривой 1. После того как уровень сигнала превысит U_ЗАД, начинает действовать АРУ и выходное напряжение будет изменяться далее по кривой 3. Для регулирования усиления в высокочувствительных каскадах УРЧ применение АРУ с задержкой обязательно.

Для улучшения стабилизирующего действия системы АРУ в её шину вводят дополнительные усилители постоянного тока УПТ. Такая АРУ называется задержанной и усиленной (кривая 4).

Эффективность АРУ характеризуется следующими показателями:

- величиной изменения входного напряжения Д= U_ВХ.МАХ ⁄ U_ВХ.МИН;

- допустимой величиной изменения выходного напряжения В = U_{ВЫХ.МАХ} ⁄ U_{ВЫХ.МИН};

- величиной изменения коэффициента усиления системой АРУ: Д ⁄ В (раз).

Для приёмников высшей группы сложности по отечественному стандарту Д = 40 дБ (100 раз), В = 6 дБ ( 1,7 раз).

Схема простой АРУ.

В незадержанной АРУ (Рис.5) детектор приёмника и детектор АРУ можно совместить в одном VD1C5R5C6. Включение диода VD1 позволяет выделить на нагрузке R6С6 постоянную составляющую напряжения отрицательной полярности, из которого после фильтрации в ФНЧ R_АРУС_АРУ образуется регулирующее напряжение – U_РЕГ.

Начальное базовое смещение +U_0Б транзистора VT1 первого каскада УПЧ образуется как сумма положительного напряжения +U_ПИТ, подаваемого от источника +Е_К через R2, L2 и отрицательного регулирующего напряжения - U_АРУ. Причём +U_0Б = +U_ПИТ – U_АРУ, т.е. IU_ПИТI > IU_АРУI.

- 5 -

Рис.5 Принципиальная схема простой АРУ.

Чем больше амплитуда принимаемых сигналов U_ВХ, тем больше регулирующее напряжение – U_АРУ, что приводит к уменьшению начального базового смещения +U_0Б, крутизны характеристики транзистора S и усиления каскада УПЧ К_U. В результате компенсации, выходное напряжение приёмника U_ВЫХ будет стабильно и мало зависеть от изменения уровня входного сигнала U_ВХ.

Постоянная времени АРУ, как было отмечено раньше, t_АРУ = R_АРУC_АРУ = 0,1…0,3 сек. Учитывая, что в биполярных транзисторах базовый ток I_0Б относительно большой и принимает значения десятки и сотни мкА, то сопротивление резистора R_АРУ не может быть больше нескольких десятков кОм (по схеме R_АРУ = 20 кОм). Конденсатор С_АРУ рассчитывается из соотношения С_АРУ = (0,1…0,3 с) ⁄ R_АРУ = 10 мкФ.

Использование в регулирующих каскадах полевых транзисторов с большим входным сопротивлением позволяет увеличить R_АРУ до 1…1,5 МОм. Тогда номинал С_АРУ составит всего 0,1 мкФ.

Сопротивление резистора обратной связи R1 должно быть незначительным, чтобы ООС не снижала эффективность регулировки системы АРУ.

Из-за уменьшении чувствительности приёмника при слабых сигналах простую АРУ нельзя использовать для регулировки усиления в каскадах УРЧ, так как при этом снижается отношение сигнал/шум.