Bt-teh.ru

БТ Тех
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Полевой транзистор регулировка усиления

Полевой транзистор регулировка усиления

В этой главе рассмотрены усилители, коэффициентом передачи которых можно управлять цифровыми сигналами или аналоговым напряжением. Усилители с цифровым управлением обычно применяются в системах с микропроцессорным управлением и автоматическим выбором предела измерений. Управляемые напряжением усилители (УНУ) часто применяются в системах как самостоятельные узлы, а также как составные части других функциональных блоков, например, в схемах генераторов и усилителей с автоматической регулировкой усиления (АРУ).

5.1. Некоторые способы управления коэффициентом усиления с помощью напряжения

В схеме на рис. 5.1 использован аналоговый умножитель, который сам по себе является типичным УНУ (подробнее об умножителях см. гл. 9). Положительное или отрицательное управляющее напряжение изменяет величину и знак коэффициента усиления этого УНУ. Еще один способ показан на рис. 5.2. В этом случае регулировка усиления осуществляется введенным в схему управляемым напряжением резистором. В качестве управляемого резистора используется достаточно дешевый полевой транзистор, управляющее напряжение подается на его затвор. При изменениях изменяется ширина канала полевого транзистора, при этом изменяется его сопротивление сток-исток и, следовательно, коэффициент передачи усилителя. На я-канальный полевой транзистор

Рис. 5.1. Управляемый напряжением усилитель на основе умножителя.

необходимо подавать отрицательное управляющее напряжение. Регулировочная характеристика при использовании полевого транзистора оказывается нелинейной. Усилители такого типа могут быть как инвертирующими, так и неинвертирующими.

Чтобы избежать значительных искажений, полевой транзистор должен работать на линейном участке характеристики сток-исток. Искажения вызываются тем, что при большом сигнале напряжение сток-исток повышается и происходит модуляция сопротивления канала, а, следовательно, и коэффициента усиления, самим сигналом. Помните о двух моментах: выбор полевого транзистора с большим напряжением отсечки обеспечивает широкий диапазон управления усилением; точность коэффициента усиления и стабильность ограничиваются, главным образом, стабильностью параметров применяемого полевого транзистора.

Можно уменьшить искажения, включив полевой транзистор вместо одного из сопротивлений Т-образной обратной связи усилителя (рис. 5.3). При таком способе уменьшается размах сигнала на транзисторе.

Рис. 5.2. Регулировка усиления с помощью полевого транзистора.

Рис. 5.3. Уменьшение искажений в усилителе, управляемом полевым транзистором.

Искажения дополнительно снижаются при введении резисторов R и для компенсации нелинейности характеристики полевого транзистора. В этом случае рекомендуется выбирать

В качестве УНУ можно использовать преобразователи напряжения в ток (ПНТ), так как они имеют отдельный вход для управления коэффициентом преобразования. В схеме, приведенной на рис. 5.4, ПНТ имеет вход управляющего тока, увеличение которого приводит к возрастанию коэффициента преобразования ПНТ. Выходной ток преобразуется на нагрузочном резисторе в напряжение, которое через буферный усилитель поступает на выход схемы. Важное достоинство схемы заключается в том, что коэффициент передачи линейно зависит от управляющего напряжения. В некоторых микросхемах для снижения искажений на входе установлены линеаризующие диоды. Перечень подходящих микросхем приведен на рис. 5.4.

Использование усилителя с АРУ как мягкого ограничителя уровня сигналов

Вебинар «Новые решения STMicroelectronics в области спутниковой навигации» (17.11.2021)

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».

Читать еще:  Зарядное устройство из компьютерного блока питания регулировка тока

В предлагаемом устройстве в качестве регулирующего звена АРУ используется p-канальный полевой транзистор (VT1) с большим напряжением отсечки (VGS_OFF) и с подходящим сопротивлением канала в открытом состоянии (RDS_ON). Оптимальным будет транзистор с VGS_OFF в пределах от 3 до 7 В и RDS_ON порядка 400 — 200 Ом.

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.

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:

  • Прецизионный двухполупериодный выпрямитель;
  • Пороговый элемент управления с интегратором;
  • P-канальный полевой транзистор в качестве управляющего элемента аттенюатора (VT1) должен выбираться с высоким напряжением отсечки (VGS_OFF);
  • Предварительная установка рабочей точки управляющего транзистора аттенюатора (VT1);
  • Введение в регулирующий элемент аттенюатора отрицательной обратной связи, минимизирующей нелинейные искажения.

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.

Регулировки в радиоприемных устройствах. Регулировка усиления изменением крутизны характеристики. Регулировка изменением коэффициентов включения. Автоматическая регулировка усиления (АРУ) , страница 4

Для данной схемы каскада усиления K=p1p2SRэ , где p1 и p2 – соответствующие коэффициенты включения, S – крутизна коллекторной характеристики транзистора, Rэ – эквивалентное сопротивление нагрузки с учетом шунтирования контура транзистором и нагрузкой. Регулировка коэффициента усиления может осуществляться изменением любой входящей в это выражение величины. При выборе способов регулировки требуется получение существенного изменения K от напряжения регулировки, малый ток регулировки, малая зависимость других параметров усилителя при изменении коэффициента усиления.

Читать еще:  Регулировка и утепление деревянных окон

1. Регулировка усиления изменением крутизны характеристики.

Данная регулировка осуществляется за счет изменения режима работы активного элемента, поэтому ее можно считать режимной. В этом случае необходимо менять напряжение смещения на управляющем электроде, что и приведет к изменению крутизны в рабочей точке (в биполярном транзисторе кроме S меняются qвх и qвых ). Регулирующее напряжение может подаваться как в цепь базы, так и в цепь эмиттера.

В данной схеме напряжение смещения на переходе Э-Б будет Uэб=U-Eρ. По мере увеличения Eρ Uэб уменьшается, что приведет к уменьшению тока коллектора Iк0 и Sк , а как следствие уменьшение K. Цепь регулировки усиления должна обеспечить ток в данной цепи примерно равный I, а это значит , что Iρ должен быть относительно большим. Предпочтительнее подавать Eρ в цепь базы, когда Uэб=U-Eρ. Ток регулировки Iρ=Ig, составляет Ig≈(5÷10)I и невелик.

Данная схема обеспечивает меньшую стабильность работы из–за отсутствия резистора в цепи эмиттера, т.к. его наличие приведет к уменьшению эффекта регулировки. В противном случае надо увеличивать Eρ.

2. Регулировка изменением Rэ может осуществляться различными способами.

Включением в контур диода.

· При Eρ>Uк диод закрыт и не шунтирует контур. Rэ и K велики.

· При Eρ<Uк диод открывается и его Rвх шунтирует контур, уменьшая K и Rэ. Однако при этом изменяется не только Rэ, но и эквивалентное затухание контура, вызывая уменьшение полосы пропускания усилителя.

3. Регулировка изменением коэффициентов включения.

Напряжение с контура подается на делитель Z1Z2. Изменяя одно из сопротивлений можно менять p1.Аналогична схема регулировки p2. В качестве сопротивлений можно использовать катушки с переменной индуктивностью или конденсаторы с переменной емкостью. Однако при этом не избежать расстройки контура. Лучшие результаты дает использование аттенюатора с переменным коэффициентом передачи, включенным между каскадами. В качестве аттенюатора применяют регулируемые делители, емкостные делители на варикапах, мостовые схемы.

При |Eρ|<|U| диоды Д1 и Д2 открыты, а Д3 закрыт. Коэффициент передачи максимален. По мере увеличения Eρ динамическое сопротивление диодов Д1 и Д2 увеличивается, а Д3 – уменьшается, уменьшая коэффициент передачи аттенюатора.

Возможно, в качестве управляемого сопротивления использовать полевой транзистор, когда под действием Eρ изменяется сопротивление его канала.

Широкое применение находят аттенюаторы на pin – диодах, обладающие большим диапазоном изменения сопротивления и малой емкостью.

Работа pin – диодов управляется за счет изменения смещения в цепи базы транзистора. При нулевых напряжениях регулировки Д1 и Д2 закрыты, а Д3 открыт (затухание минимально). При Eρ максимальном Д1 и Д2 открыты Д3 закрыт (затухание максимально).

Регулировка K с помощью регулируемой цепи ООС.

ООС вводится в цепь эмиттера транзистора. Глубина обратной связи регулируется за счет изменения емкости варикапа. При увеличении Eрег диод сильнее закрывается, при этом уменьшается его емкость, а напряжение ОС увеличивается, уменьшая при этом K.

Читать еще:  Регулировка расхода воды в смесителе что это

В последетекторной части приемника способы регулировки K подобны резонансным усилителям. Чаще применяют плавную потенциометрическую регулировку усиления, причем в широкополосных усилителях ее используют обычно в низкоомных цепях. В широкополосных каскадах чаще применяют регулировку усиления с помощью регулируемой ООС.

С помощью регулируемого делителя напряжения осуществляется изменение постоянного напряжения на базе.

Lektsionnye_materialy_osen_2013 (1) / 45 Методы регулировки усиления

Фактически используются резистивные делители напряжения с переменным коэффициентом деления (рисунок 1).

Недостатком метода является тот факт, что при изменении положения движка потенциометра изменяется сопротивление нагрузки предыдущего каскада и сопротивление источника последующего каскада.

В согласованных радиочастотных трактах широко используются П- и Т-образные резистивные аттенюаторы, которые позволяют при изменении вносимого затухания обеспечить постоянство входных и выходных сопротивлений (рисунок 2).

Однако для плавной регулировки усиления в этом случае необходимо обеспечить одновременное изменение сопротивлений. Поэтому такие схемы чаще используются для дискретной регулировки.

Использование полевых транзисторов в качестве управляемых сопротивлений позволяет организовать электронную регулировку усиления, например по схемам, приведенным на рисунке 3.

Первая схема — это простейший резистивный делитель напряжения, вторая — П-образный аттенюатор, причем для одновременной регулировки сопротивления каналов трех транзисторов используется специальная схема управления. Вместо полевых транзисторов часто используются p-i-n-диоды, дифференциальное сопротивление которых зависит от прямого тока и может меняться в широких пределах.

Эта группа методов использует зависимость коэффициента усиления от режима работы транзистора. Например, коэффициент усиления по напряжению каскада с ОЭ определяется соотношением . Изменяя любым способом ток коллектора можно менять малосигнальный коэффициент усиления (рисунок 4).

Это можно сделать, например, изменяя потенциал базы транзистора, как это сделано на первой из приведенных схем. На второй схеме изменяется токозадающая разность потенциалов на эмиттерном резисторе. В третьем случае в цепь эмиттера установлен управляемый генератор стабильного тока.

Аналогичным образом можно менять малосигнальный коэффициент усиления дифференциального каскада. Пример такого решения приведен на рисунке 5.

В данном случае для управления усилением используется ток, а не напряжение, а в цепи эмиттеров дифференциального каскада установлено токовое зеркало. Если вместо токового зеркала установить генератор стабильного тока, например на биполярном транзисторе, усиление можно регулировать изменяя напряжение на базе этого транзистора.

3. Регулировка с помощью цепей обратной связи

В схема с глубокой отрицательной обратной связью усиление практически полностью определяется цепью обратной связи и не зависит от свойств усилителя. В это случае усиление регулируется изменением параметров цепи обратной связи. Примеры таких схем приведены на рисунке 6.

Первые две схемы — это классические схемы инвертирующего и неинвертирующего каскадов на операционных усилителях, где в цепях обратной связи установлены потенциометры. Третья и четвертная схемы демонстрируют возможность организации электронной регулировки усиления, причем последняя — с 3-полюсником в цепи обратной связи.

Помимо полевых транзисторов для электронного управления сопротивлением можно использовать резисторно-диодные или другие оптопары. Пример такой схемы приведен на рисунке 7. В данной схеме сопротивление фоторезистора, входящего в состав оптопары и одновременно включенного в цепь обратной связи зависит от силы падающего на него света, которая в свою очередь определяется прямым током светодиода.

Биполярный транзистор образует генератор стабильного тока.

4. На основе перемножителей сигналов

В данном случае один из входов перемножителя используется в качестве управляющего (рисунок 8).

Следует, однако, учитывать, что при использовании 4-квадрантного перемножителя при уменьшении управляющего напряжения до 0 и переходе в область отрицательных напряжений фаза выходного сигнала сменится на противоположную, а уровень сигнала начнет возрастать.

5.Усилитель тока Гильберта

Недостатком многих методов электронной регулировки усиления является сильная нелинейность не позволяющая работать с сигналами большой интенсивности. Оригинальным решением этой проблемы является схема, предложенная Гильбертом. Ее упрощенный вариант с пояснениями приведен на рисунке 9.

В данном случае для упрощения считается, что входным сигналом является разность входных токов, а выходным – разность выходных.

Заметим, что полученное соотношение для коэффициента передачи не основано на малосигнальном приближении, а получено с учетом нелинейной модели транзистора. Тем не менее, зависимость входного и выходного сигнала описывается линейным соотношением.

Управляющим сигналом здесь является .

В схеме, приведенной на рисунке 10, входной и выходной сигналы – это дифференциальные напряжения. Входной сигнал дифференциальной парой VT5, VT6 преобразуется в разность токов, а выходные токи, выделяясь на коллекторных сопротивлениях, образуют дифференциальное выходное напряжение.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector