Меню

Автоматическая регулировка усиления операционного усилителя

Использование усилителя с АРУ как мягкого ограничителя уровня сигналов

Предлагаемый усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ) может использоваться для «мягкого» и с минимальными искажениями ограничения уровня сигнала относительно его пикового значения. Последнее важно подчеркнуть: управление усилением происходит не по среднеквадратичному значению сигнала, а именно по абсолютному. Это бывает необходимо для некоторых систем обработки речи, систем связи и т. д.

Обычные усилители с АРУ в таких приложениях работать корректно не могут и, кроме того, имеют довольно высокие уровни общих гармонических искажений. Поскольку опираются они на среднеквадратичный уровень сигнала и, следовательно, имеют задержку реакции АРУ, такие усилители часто отличаются еще одной весьма неприятной особенностью, которую можно назвать «временное замирание сигнала» или «схлопывание». Этот эффект проявляется в усилителе с АРУ, когда схема регулировки усиления начинает работать в режиме захвата, то есть, когда управление сигналом по обратной связи АРУ «включено». Это присущее таким усилителям свойство, которое проявляется в мгновенном снижении уровня сигнала с его последующим медленным нарастанием до точки регулирования передаточной характеристики.

Кроме того, используемые обычно простые усилители с АРУ по разному реагируют на положительные и отрицательные полуволны сигнала, поскольку, как правило, используют однополупериодный выпрямитель. Иногда это может быть недопустимо, например, если строго задан уровень модуляции, или если недопустима перегрузка АЦП. Указанные негативные эффекты должны быть исключены, в особенности в тех системах, которые предназначены для передачи или обработки речи, где первостепенное значение имеет речевая разборчивость. Принципиальная схема «мягкого» ограничителя сигналов без перечисленных выше недостатков представлена на Рисунке 1.

Рисунок 1. Мягкий ограничитель уровня сигнала.

Устройство состоит из регулируемого аттенюатора (R4, RDS_VТ1), усилителя (DA1-1), прецизионного двухполупериодного выпрямителя (DA1-2, DA1-3) и порогового элемента управления (VT2) с емкостным интегратором (R7, C4). (RDS_VТ1 – сопротивление канала VT1). Входной сигнал поступает на усилитель через регулируемый аттенюатор. В отличие от обычных устройств, этот аттенюатор необходимо настроить таким образом, чтобы входной сигнал сразу был ослаблен примерно на 1 дБ. Это должно быть выполнено при отключенной обратной связи по АРУ. Регулировка производится подстроечным резистором R6. Последнее исключительно важно, поскольку именно эта настройка полностью устраняет вредный эффект, названный выше как «временное замирание сигнала».

Выбор типа регулирующего транзистора весьма важен, так как он влияет на снижение эффекта «временного замирания сигнала».

Сопротивление канала транзистора VT1 в открытом состоянии (RDS_ON) вместе с номинальным значением резистора R4 определяет максимальный динамический диапазон устройства в части глубины регулировки АРУ. Вычислить этот диапазон можно по формуле

Причиной высоких общих гармонических искажений обычных усилителей с АРУ являются большие нелинейные искажения, вносимые регулируемым аттенюатором. Снизить эти искажения можно с помощью специальной дополнительной RC-цепочки (C3, R13, R14), то есть путем введения в регулирующий элемент VT1 отрицательной обратной связи по затвору. Вторая проблема (реакция на амплитуду любого знака) решается путем использования схемы прецизионного двухполупериодного выпрямителя.

Важным элементом цепи управления является транзистор VT2, изменяющий напряжение на затворе транзистора VT1 в соответствии с абсолютным уровнем входного сигнала. При снижении напряжения на затворе VT1 уменьшается его сопротивление, что, соответственно, уменьшает коэффициент передачи аттенюатора. Таким образом, уровень выходного сигнала схемы не будет превышать установленного значения тех пор, пока напряжение на затворе транзистора VT1 не станет равным нулю. В этом случае транзистор VT1 будет полностью открыт.

Читайте также:  Регулировка сцепления уаз хантер с корейской коробкой

Разборчивость речи зависит от постоянной время интегратора (R7, С4), которая может быть подобрана экспериментально. Приемлемыми для речевого сигнала значениями будут R7 = 330 кОм и C4 = 10 мкФ. Подстроечным резистором R12 устанавливается необходимое максимальное значение амплитуды выходного сигнала. Подчеркнем еще раз, что схема не работает со среднеквадратичными значениями! Естественно, что максимальная амплитуда выходного сигнала не может быть меньше, чем порог включения VT2, для слаботочных кремниевых транзисторов равный примерно 0.68 В. Именно до этого значения амплитуды усилитель ведет себя как обычный линейный, а затем меняет свой коэффициент передачи, фиксируя максимальную амплитуду сигнала на новом уровне, после чего опять работает линейно без компрессии до восстановления интегратора и нового захвата. Необходимый уровень входного сигнала может быть установлен выбором соответствующего коэффициента усиления DA1–1, который можно рассчитать по формуле

Естественно, что это справедливо только в рабочей полосе частот.

Описанное устройство имеет очень малое время отклика, составляющее менее половины периода входного сигнала.

Выводы

Основные особенности мягкого ограничителя:

Впервые это устройство использовалось автором в качестве ограничителя модуляции в одном из его персональных проектов. Здесь было необходимо обеспечить условие, чтобы амплитуда сигнала (в любой промежуток времени и любой полярности) не превысила строго заданный уровень. Это требование должно было выполняться в широком динамическом диапазоне входных сигналов, при низком уровне общих гармонических искажений и без заметного искажения артикуляции. Таким образом, использование известных схем ограничения было невозможным. Автором было проверено много технических решений, в результате чего выяснилось, что проект, представленный на Рисунке 1 – наилучший.

Это же решение автор использовал в составе музыкальной системы в качестве автоматического микшера ди-джея. В этом варианте на вход устройства через сумматор подавались два сигнала (музыка и голос), но их общий уровень автоматически поддерживался постоянным. Так, уровень музыкального сигнала без ручного микширования автоматически уменьшался, как только ди-джей начинал говорить, и плавно возвращался на заданный прежний уровень, если ди-джей замолкал. При этом отсутствовала перегрузка усилителей и акустических систем. Эта же идея использовалась и в качестве базы для прецизионного генератора синусоидальных сигналов на основе моста Вина. Результаты использования такого решения были превосходны и превзошли все ожидания.

Примечание редакции

Эта публикация может считаться дополнением к изданной нами ранее статье «Практика использования ИМС усилителей с АРУ серии SSM21xx» (РадиоЛоцман, 2014, май, июнь), в которой был описан усилитель с АРУ по среднеквадратичному значению сигнала.

Уменьшение нелинейных искажений основанного на полевом транзисторе регулирующего звена аттенюатора за счет введения отрицательной обратной связи описывается, например, в книге: Титце У., Шенк К. «Полупроводниковая схемотехника» 12-е изд.: Пер. с нем. – М., ДМК Пресс, 2007.

Описание использованного в рассмотренной схеме двухполупериодного выпрямителя можно найти в книге: Л. Фолкенберри «Применение операционных усилителей и линейных ИС», Пер. с англ. – М.: Мир, 1985. Обе книги имеются в Интернете и доступны для скачивания. В таком выпрямителе для повышения точности на малых сигналах лучше использовать диоды Шоттки, например, BAS40-04, но для рассматриваемой схемы это несущественно.

Значение сопротивления канала в открытом состоянии RDS_ON для маломощных полевых транзисторов не всегда приводится в спецификациях, но его легко вычислить через крутизну (S) транзистора, так RDS_ON = 1/S. Кстати, в схеме можно использовать отечественный полевой транзистор КП103М1: S = (1.3…4.4) мА/В, VGS_OFF = (2.8…7) В.

Если максимальная амплитуда выходного сигнала должна быть меньше указанного в статье значения 0.68 В, то следует изменить коэффициент усиления в двухполупериодном выпрямителе. Необходимое усиление устанавливается увеличением номиналов резисторов R11 и R3 относительно номиналов остальных резисторов выпрямителя. Для правильной работы выпрямителя не забывайте соблюдать соотношения номиналов резисторов R11 = R3, R5 = R1 = R2. При этом коэффициент усиления выпрямителя рассчитывается как KU = R3/R5.

Перевод: В.Рентюк по заказу РадиоЛоцман

Читайте также:  Насос ручеек ремонт и регулировка

Источник

R13-PROJECT

Электронное познавательное развлекательное

Микрофонный усилитель с АРУ на микросхеме MAX9814

Здравствуйте!
В последнее время мне везет на работу с акустикой. Какое то время оцифровывал более менее статичные сигналы, либо было достаточно проводного соединения, но спокойной работе иногда приходит конец. При проектировании очередного проекта тянуть провод от компьютера или телефона иногда вообще не вариант. И вот я зукупился микрофонами, и стал экспериментировать.

Вообще первый раз готовый китайский микрофонный усилитель на микросхемах серии MAX98xx (а точнее MAX9812) был описан здесь Самодельный USB микрофон. и было снято аж 2 видео по микрофонам для подключения к компьютеру. Все бы хорошо, но мне нужна была возможность регулировать усиление, а в идеале шумоподавление и автоматическая регулировка усиления.

Первый микрофонный усилитель я собрал вот по этой вот схеме.

Микрофонный усилитель на операционном усилителе

И он даже работал, но небыло АРУ и шумоподавления, последнее меня не сильно беспокоило, так как планировалось эту схему использовать в связке микроконтроллером, и сильное качество не нужно было, но минусом этой схемы оказалось то, что мне не удалось подобрать достаточное усиление! Для записи звука достаточно, для подключения к микроконтроллеру – нет! Уровень выходного сигнала оказался слишком низким, сколько не увеличивал я усиление.

Причина оказалась проста – микрофон – он не выдавал достаточный уровень сигнала, и до определенного уровня усиления не происходило, то есть все тихие звуки вырезались, а усиливалось только с приличной громкости. Повозившись с усилителем, поподбирая разные коэффициенты усиления и операционные усилителя, я забросил это дело, и решил собрать усилитель с АРУ (автоматическая регулировка усиления).

Работают такие схемы достаточно просто – усиленный сигнал подается на полевой транзистор, который меняя свое сопротивление “изменяет” коэффициент делителя, задающего коэффициент усиления операционного усилителя.

Если уровень сигнала слабый, на выходе низкое напряжение, на затворе полевого транзистора так же напряжение падает, полевой транзистор увеличивает свое сопротивление, тем самым поднимая усиление. И наоборот, всплеск напряжения на выходе гасит усиление, тем самым выравнивая громкость звука на выходе. Если занимались когда нибудь обработкой звука, то программный “компрессор” вам знаком – это аппаратная версия компрессора, который выравнивает громкость.

Вторую схему я брал здесь

Сама схема вот такая

Микрофонный усилитель на операционном усилителе с АРУ (Автоматической регулировкой усиления)

Читайте также:  Регулировка микрометра 75 100

В итоге могу сказать – схема рабочая, и АРУ работает, и для подключения к компьютеру эта схема очень хорошо подходит, но главный недостаток ее как и предыдущей схемы – она отказалась усиливать “тихие” звуки. Я бы хотел, что бы, например цветомузыка уже работала от громкой речи в комнате. Но усилитель реагировал только на нормальную речь возле микрофона, и напрочь отказывалась усиливать даже громкую речь с расстояния – метра. Вернее усиливал, но осциллограф это усиление замечал слабо, не говоря уже о АЦП, у котором эти значения были чуть выше шумов в младших разрядах. Это и плюс и минус. Минус понятен, а вот плюс в том, что этот усилитель косвенно гасил посторонние шумы. Если записывать голос на микрофон, то это плюс, меньше эхо ловится и посторонние шумы.
Вот такая вот компактная печатная плата у меня получилась

Печатная плата микрофонного усилителя с АРУ

И вот поиски меня привели к вот такому вот модулю на микросхеме MAX9814.
С усилителем на подобной микросхеме я был знаком, и тут еще и регулировка усиления и скорость реакции АРУ! И цена около 100 р. всего.

Ссылки на модуль, привожу только тех продавцов, с которыми у меня не было проблем.
Ссылок даю несколько, так как иногда продавцы задирают стоимость доставки, или цену. Ну или лот может пропасть чрез неделю.
В любом случае посмотрите, что за модуль, что бы ориентироваться что брать. Есть похожие модули, они короче, на другой микросхеме но стоят дешевле. Их я в работе не проверял, рекомендовать не могу. Поэтому, смотрите внимательнее.

Данный модуль может: Усиливать сигнал с микрофона на 40, 50 или 60 дб. Регулировать скорость атаки своего АРУ 1:4000ms, 1:2000ms или 1:500ms.

Вот, что пишут о модуле китайцы:
Напряжение от 2,7 до 5,5 v, ток потребления 3mA
Частотная характеристика от 20Гц до 20000Гц
Программируемое соотношение атак и усиления
Автоматическое усиление, между 40 дБ, 50 дБ или 60 дБ
Низкая входная плотность шума 30NV
Низкий THD: 0.04% (typ)

Даташит на микросхему MAX9814 я оставлю здесь. Datasheet MAX9814

И вот этот вот с этим вот модулем цветомузыка заработала как и задумывалось.
Для цветомузыки оказались достаточные параметры: усиление 50db (громко музыку не слушаю, слышимость с соседями большая) и скорость АРУ 1:500.
В моем случае это оптимальные показатели.

Теперь про подключение данного модуля и настройки.
Всег у него 5 выводов.

Модуль микрофонного усилителя с АРУ на микросхеме MAX9814

GND и VDD это питание модуля, Out это выход усиленного и выравненного сигнала с микрофона, а вот про оставшиеся 2 вывода поподробнее.

Вывод Gain – усиление. Если вывод Gain ни куда не подключать, усиление будет 60dB. Если его соединить с землей (посадить на минус питания GND) усиление составит 50dB, а вот если подсоединить к VDD усиление составит 40dB.

Вывод AR – Attack/Release (скорость срабатывания/скорость восстановления автоматического регулятора усиления). Если ни куда не подключать A/R = 1:4000ms, если подсоединить на VDD A/R = 1:2000ms. Если его соединить с землей A/R = 1:500ms

Источник