Spis treści

Spis treści

1. Wiadomości ogólne o automatycznej regulacji wzmocnienia

Konieczność regulacji wzmocnienia w sposób automatyczny powstaje przy wzmacnianiu sygnałów akustycznych i modulowanych sygnałów w.cz. Spowodowane to jest dużym wahaniem sygnału akustycznego, zależnie od natężenia dźwięku, oraz zmianą wzmocnienia toru m.cz. i w.cz. w funkcji częstotliwości, czasu, temperatury itp.

Rozróżnia się dwa rodzaje automatycznej regulacji wzmocnienia:

• statyczna - jest ustawiona przy zmianie częstotliwości dla warunków początkowych i nie zmienia się w czasie pracy dla tej częstotliwości. O ustawieniu statycznej ARW decydują więc wzmocnienie toru dla danej częstotliwości,

• dynamiczna - najczęściej stosowana, ustala samoczynnie w sposób ciągły wzmocnienie w czasie pracy zależnie od wszystkich czynników, które działają na statyczną ARW oraz od wahań napięcia modulującego, nagrzania elementów i wszystkich innych zmian występujących w funkcji czasu.

Zależnie od miejsca działania rozróżniamy układy automatycznej regulacji dla m.cz. i w.cz. ARW może działać w sposób płynny przez zmianę punktu pracy lampy względnie tranzystora albo innej postaci obcinania napięcia lub prądu przewyższającego określoną wartość progu zadziałania. Obcinanie pociąga za sobą zmianę kształtu napięcia wejściowego i powstawanie harmonicznych, które muszą zostać usunięte przez filtr pasmowy lub dolnoprzepustowy.

Wymagania stawiane układom automatycznej regulacji można podać w następujących punktach:

• stałość regulowanej wielkości,

• szybkość działania,

• stabilność pracy (określa tu niemożliwość powstawania drgań własnych układu).

1. Układy regulacji w odbiornikach radiokomunikacyjnych

W odbiornikach radiokomunikacyjnych stosuje się układy regulacji, które zapewniają:

• dostrojenie odbiornika do częstotliwości odbieranego sygnału i utrzymywanie je stale w czasie odbioru;

• regulację wzmocnienia odbiornika na skutek zmiany poziomu odbieranych sygnałów
  z dopuszczalnymi zmianami poziomu na wyjściu;

• zmianę szerokości pasma przepuszczania i selektywności odbiornika w zależności od rodzaju sygnału i warunków odbioru.

W zawiązku z powyższymi zadaniami układy regulacji wpływają na podstawowe parametry odbiornika, w celu zapewnienia optymalnego odbioru sygnałów w obecności zakłóceń, przystosowując parametry odbiornika do istniejących warunków odbioru. Podstawowe parametry odbieranych sygnałów zmieniają się niezależnie jedne od drugich, w związku z czym regulacje w odbiorniku muszą być niezależne, tzn. zmiana jednego parametru odbiornika nie powinna powodować większych zmian innych parametrów. Parametry odbieranych sygnałów mogą się zmieniać w szerokich przedziałach, tak więc układ regulacji powinien zapewniać pracę w dużym zakresie regulacji. Istotnym wymaganiem jest również i szybkość regulowania, która powinna odpowiadać szybkości zmiany parametrów sygnału. Wprowadzenie układów regulacji nie powinno powodować niestabilnej pracy stopni regulowanych i całego odbiornika, a także zniekształceń odbieranego sygnału. Tak więc, regulacje powinny być niezależne, posiadać duży zakres
i dostateczną szybkość regulacji, nie powinny wnosić dodatkowych zniekształceń odbieranego sygnału i zmniejszać stabilność pracy odbiornika. Ręczne regulacje (RR) można stosować tylko w tym przypadku, jeżeli dopuszcza się względnie wolną zmianę odpowiedniego parametru odbiornika. Praktycznie obserwujemy szybkie zmiany niektórych parametrów sygnału, co znacznie zwiększa rolę automatycznych regulacji (AR), ponieważ tylko za ich pomocą można szybko reagować na zmianę warunków odbioru i przystosować parametry odbiornika do tych warunków. Istotne jest i to, że AR pozwala zwolnić operatora od kontroli warunków odbioru i zwrócić jego uwagę na odbiór i obróbkę informacji. Tym niemniej RR są niezbędne dla ustalenia parametrów odbiornika w początkowych warunkach odbioru. Dlatego często stosuje się łącznie ręczną i automatyczną regulację. Podstawowe organy regulacji na ogół wyprowadza się na przednią płytę odbiornika, natomiast pomocnicze mogą być wyprowadzone na tylną płytę odbiornika. Wybór ilości i rodzaju regulacji zależy od klasy odbiornika i warunków jego eksploatacji. Najwięcej automatycznych i ręcznych regulacji posiadają odbiorniki pierwszej klasy.

1. Automatyczna regulacja wzmocnienia w radioodbiornikach

Ręczna i automatyczna regulacja wzmocnienia (RRW i ARW) jest szeroko stosowana w odbiornikach radiokomunikacyjnych. Konieczność stosowania ARW wynika
z tego, że zakres zmian możliwych poziomów sygnałów na wejściu odbiornika jest bardzo duży i może dochodzić do 100 - 120dB względem
. Takie różnice poziomów spowodowane są tym, że przy organizacji łączności odbiorniki mogą znajdować się
w różnych odległościach od stacji bazowych, pracujących z różnymi mocami, antenami itp. Przy odbiorze jedne go określonego sygnału jego poziom może się zmieniać w znacznych przedziałach (zaniki), zmiany orientacji anten i warunków terenowych, przy łączności
w ruchu lub obiektami latającymi. Wiemy już, że wzmocnienie odbiornika powinno zapewnić czułość użytkową tzn. wymagany poziom sygnału na wyjściu przy określonym stosunku sygnał-szum. Określone z tych warunków i prawidłowo rozłożone wzmocnienie w torze sygnałowym okazuje się za duże przy zwiększeniu poziomu sygnału, co prowadzi do przesterowania stopni odbiornika i zwiększenia poziomu sygnału na wyjściu odbiornika. Przesterowanie stopni zwiększa zniekształcenia nieliniowe sygnału i powoduje powstanie innych nieliniowych zjawisk, pogarszając jakość odbioru. Należy mieć na uwadze, że znaczne zwiększenie poziomu sygnału na wyjściu odbiornika wpływa na jakość pracy urządzeń końcowych (różne urządzenia końcowe pracują poprawnie, jeżeli zmiany poziomu sygnału nie przekraczają 1,5 - 3 razy). Istotne znaczenie ma nie tylko stopień zmiany poziomu sygnału, ale i prędkość, z jaką te zmiany występują, np. czas przy zanikach może być zawarty w przedziale od kilku sekund do kilku milisekund. W związku z tym
w odbiornikach radiokomunikacyjnych stosuje się zarówno ręczną, jak i automatyczną regulację wzmocnienia. RRW wykorzystuje się przy zmianie odbieranego nadajnika lub częstotliwości, gdy zmiany poziomu sygnału są powolne. W przypadkach, gdy poziom sygnału zmienia się szybko, należy włączyć ARW. Oprócz tego w odbiorniku zapewnia się możliwość ustawienia poziomu sygnału wyjściowego przy pomocy tzw. regulatora głośności. W układach praktycznych RRW i ARW stosuje się we wspólnym torze sygnałowym (w stopniach wielkiej częstotliwości), a ręczne ustawienie poziomu napięcia wyjściowego w torze niskiej częstotliwości. Przy wprowadzeniu regulacji wzmocnienia do układu odbiornika powstaje szereg ogólnych zagadnień, których prawidłowe rozwiązanie w znacznym stopniu określa jakość pracy układu regulacji. Przede wszystkim należy odpowiedzieć na pytanie, przy pomocy zmiany jakich parametrów można uzyskać zmianę wzmocnienia w stopniu wzmacniającym. Wiemy już, że wzmocnienie wzmacniacza
w ogólnym przypadku jest wprost proporcjonalne do admitancji przejściowej przyrządu elektronowego, współczynników transfomacji i odwrotnie proporcjonalne do wypadkowej konduktancji obciążenia.

Tak więc wzmocnienie stopnia można zmieniać wpływając na wartości
,
,
i
.
W związku z możliwością stosowania kilku sposobów zmiany wzmocnienia rozróżnia się następujące rodzaje regulacji wzmocnienia:

• regulacja przez zmianę punktu pracy przyrządu elektronowego - w tym przypadku regulację wzmocnienia uzyskuje się przez zmianę admitancji przejściowej, zmieniając warunki pracy przyrządu elektronowego dla prądu stałego. W zasadzie taką regulację można zrealizować w dostatecznie dużych przedziałach, zmieniając napięcie lub prąd w obwodzie dowolnej elektrody przyrządu elektronowego. Jednak do regulacji należy wykorzystywać nieliniowy odcinek charakterystyki przyrządu elektronowego, co prowadzi .do pogorszenia własności nieliniowych i szumowych stopnia regulowanego. Nie można pominąć również zmiany admitancji wejściowej i wyjściowej (w tym
  i susceptancji) przyrządu elektronowego co powoduje rozstrojenie układu i zmianę szerokości pasma przepuszczania. Szczególnie to występuje w układach tranzystorowych,

• regulacja przez zmianę wartości konduktancji
  - zasadniczo taka regulacja jest możliwa przez bezpośrednią zmianę
  , bocznikując obwody zmienną rezystancją. W praktyce metody tej nie stosuje się w odbiornikach komunikacyjnych ponieważ taka regulacja powoduje dużą zmianę szerokości pasma przepuszczania i selektywności odbiornika,

• regulacja przy pomocy sterowanych dzielników wysokiej częstotliwości - przy takiej regulacji między dwa sąsiednie stopnie włącza się dzielnik wysokiej częstotliwości ze zmiennym współczynnikiem dzielenia (
  lub
  ), wobec czego można zmieniać poziom sygnału na wejściu stopnia znajdującego się za dzielnikiem. Należy zwrócić uwagę na bardzo istotną właściwość tego sposobu regulacji, że warunki pracy przyrządu elektronowego dla prądu stałego w czasie regulacji nie ulegają zmianie. To pozwala zapewnić bardziej liniowe warunki pracy stopnia wzmacniającego i mniejszy poziom szumów przez odpowiedni wybór punktu pracy,

• regulacja wzmocnienia przez zmianę głębokości sprzężenia zwrotnego - współczynnik wzmocnienia stopnia objętego ujemnym sprzężeniem zwrotnym istotnie zależy od wartości współczynnika sprzężenia zwrotnego
  . Zmieniając wartość
  np. przez bocznikowanie impedancji (rezystancji) w pętli sprzężenia zwrotnego przy pomocy diody, rezystancja której zmienia się pod wpływem napięcia regulującego, można regulować wzmocnienie stopnia. Należy mieć jednak na uwadze, że przy zwiększaniu współczynnika sprzężenia zwrotnego wzrasta jednocześnie rezystancja wejściowa stopnia regulowanego, a tym samym wzrasta wzmocnienie poprzedniego stopnia, powodując zmalenie przedziału regulacji. Ten rodzaj regulacji znajduje często zastosowanie w pierwszym stopniu odbiornika, ponieważ ze wzrostem głębokości, przy zwiększaniu poziomu sygnału wejściowego, poprawia się liniowość pracy stopnia regulowanego.

Na podstawie omówionych sposobów regulacji wzmocnienia należy zaznaczyć, że najbardziej rozpowszechniony jest sposób regulacji pierwszy i trzeci, drugi ma ograniczone zastosowanie, natomiast czwarty sposób wykorzystuje się do regulacji wzmocnienia na wejściu odbiornika. Należy jeszcze wyjaśnić, jakie są możliwe przedziały regulacji wzmocnienia w jednym stopniu i niezbędnej ilości regulowanych stopni, zapewniających wymagany przedział regulacji, jeżeli w jednym stopniu jest to niemożliwe.

1. Automatyczna regulacja wzmocnienia w odbiornikach lampowych

We wzmacniaczach lampowych automatyczną regulację wzmocnienia (ARW) uzyskuje się przez zmianę nachylenia charakterystyki lampy g_m. W tym celu reguluje się ujemne napięcie polaryzacji siatki sterującej. Ponieważ wzmocnienie wzmacniacza lampowego k_u jest wprost proporcjonalne do nachylenia charak­terystyki lampy g_m więc zmiana nachylenia charakterystyki pociąga za sobą zmianę wzmocnienia.

W celu uzyskania szerokiego zakresu regulacji stosuje się w stopniach regu­lowanych specjalne lampy (pentody) regulacyjne o tak dobranym przebiegu charakterystyki I_A= ϕ(U_s), aby jednocześnie z dużym zakresem regulacji wzmoc­nienia uzyskać możliwie małe zniekształcenia nielinearne sygnału. Przykład przebiegu charakterystyki lampy regulacyjnej pokazano na rysunku poniżej. Charakterystyka jest rozciągnięta w kierunku ujemnych napięć siatki tak, aby również przy dużych amplitudach sygnału można było uważać, iż praca odbywa się na prosto­liniowym odcinku charakterystyki.

2. Automatyczna regulacja wzmocnienia w odbiornikach tran­zystorowych

Do automatycznej regulacji wzmocnienia wzmacniaczy tranzystorowych wykorzystuje się najczęściej zależność parametrów tranzystora, a zwłaszcza na­chylenia Y₂₁ jego wyjściowo-wejściowej charakterystyki dynamicznej, od prądu emitera I_S i od napięcia kolektor-emiter U_CE. W zależności od tego, którą z tych zmian wykorzystujemy do regulacji wzmocnienia, rozróżniamy trzy podstawowe rodzaje automatycznej regulacji wzmocnienia wzmacniaczy tranzystorowych, a mianowicie:

1. przez zmianę prądu emitera

• prądem emitera w „dół” - rosnący sygnał wejściowy powoduje wzrost napięcia regulacji, które z kolei wywołuje spadek wzmocnienia tranzystora przez zmniejszenie prądu emitera. Skuteczność tej metody regulacji wzmocnienia wymaga stosowania dość małych wartości prądu emitera w początkowym punkcie pracy,

• prądem emitera w „górę” - przy rosnącym sygnale wejściowym, a więc i rosnącym napięciu regulacji, spadek wzmocnienia tranzystora jest wywołany nie przez zmniejszenie, lecz przez wzrost prądu emitera. Regulacja tego typu jest możliwa, gdy wzrost prądu emitera wywołuje zmniejszenie nachylenia charakterystyki dynamicznej tranzystora Y_21e,

2. przez zmianę napięcia kolektora - napięcie to zmienia się znacznie przy zmianie prądu emitera w „górę”, dlatego w tym przedziale możliwa jest do zrobienia regulacja wzmocnienia przez zmianę napięcia kolektor-emiter przy utrzymywaniu stałego prądu emitera. Zmiana wzmocnienia jest duża, ponieważ spadek napięcia U_CE powoduje równocześnie zmniejszenie rezystancji wyjściowej i wej­ściowej tranzystora,

3. przez jednoczesną zmianę prądu emitera i napięcia kolektora, zwaną również regulacją prądowo-napięciową - regu­lacja, przy której spadek wzmocnienia jest wywołany przez jednoczesny wzrost prądu emitera I_E i obniżenie napięcia kolektora U_CE. W tym przypadku, podobnie jak w przypadku regulacji „prądem w górę", napięcie regulacyjne doprowadza się do obwodu emiter-baza. Wzrost napięcia regulacyjnego wywołuje wzrost prądu emitera, który z kolei wywołuje większy spadek napięcia na rezystorze regulacyjnym, umieszczonym w obwodzie kolektor-emiter. Wzrost spadku na­pięcia na tym rezystorze wywołuje obniżenie napięcia kolektor-emiter i dalszy spadek nachylenia charakterystyki Y_21edynamicznej tranzystora.

Porównując metody i układy automatycznej regulacji wzmo­cnienia należy brać pod uwagę następujące zagadnienia:

• ochronę odbiornika przed przesterowaniem i blokowaniem silnymi sygnałami;

• skuteczność i zakres regulacji oraz liniowość charakterystyki regulacji;

• zachowanie charakterystyki przenoszenia regulowanych stopni;

• pobór mocy potrzebnej do regulacji;

• zachowanie dużego stosunku mocy sygnału do mocy szumu przy regulacji.

1. Automatyczna regulacja wzmocnienia za pomocą tranzystorów polowych

Automatyczną regulację wzmocnienia za pomocą triody polowej (tj. tranzystora polowego
z jedną bramką) można zrealizować w dwojaki sposób:

• przez zmianę wartości nachylenia charakterystyki tranzystora g_m. wskutek zmiany napięcia polaryzacji bramki U_GS,

• przez zastosowanie tranzystora polowego jako rezystora, sterowanego napięciem bramki.

W pierwszym z wymienionych sposobów punkt pracy tranzystora leży w tzw. „pentodowym zakresie” charakterystyk statycznych, tj. przy napięciu dren-źródło U_DS. większym niż napięcie nasycenia: wówczas sam tranzystor spełnia funkcję elementu wzmacniającego , którego nachylenie charakterystyki, czyli transkonduktancja g_m. zależy od napięcia polaryzacji bramki U_GS. Najprostszy układ ARW, w którym tranzystor pracuje jako rezystor sterowany napięciem wygląda tak:

1. Przykłady wzmacniaczy na tranzystorach polowych z automatyczną regulacją wzmocnienia

Na rysunku nr 1 przedstawiłem układ ideowy wzmacniacza, w którym automatyczną regulację wzmocnienia uzyskano przez zastosowanie tranzystora polowego T₂, działającego jako rezystor regulowany napięciem ARW w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego. W celu uniezależnienia punktu pracy tranzystora wzmacniającego T₁ od polaryzacji tranzystora regulacyjnego ten ostatni jest przyłączony do rezystora R_e przez kondensator sprzęgający C₂.

Rysunek nr 1

Na rysunku nr 2 podano typowy przykład zneutralizowanego wzmacniacza wielkiej częstotliwości,
w którym automatyczną regulację wzmocnienia zrealizowano bezpośrednio przez zmianę transkonduktancji (nachylenia charakterystyki) napięciem regulacyjnym, doprowadzonym do bramki tranzystora polowego.

Rysunek nr 2

---