2.2.1. Схемы режимных ару
Эти схемы просты, не требуют дополнительных элементов и позволяют достаточно эффективно регулировать усиление. Как известно, коэффициент усиления резонансных усилителей на транзисторах зависит от крутизны , входной и выходной проводимостей транзисторов и . Низкочастотные значения этих величин , и определяются режимом транзистора – постоянным током коллектора и напряжением на коллекторе . Зависимость указанных величин от проявляется слабо, а от практически линейна до =310 мА в зависимости от типа транзистора. Поэтому основным регулируемым параметром в схемах режимных АРУ является ток коллектора , изменение которого достигается подачей регулирующего напряжения на базу или эмиттер транзистора.
Схемы АРУ с подачей на базу или эмиттер транзистора приведены на рис. 2 и 3 соответственно. Регулируемый усилитель выполнен по схеме ОЭ на основе микросхемы УС281 (универсальный усилитель). Резонансный контур подключен к выводам 12 и 14 микросхемы.
Регулирующее напряжение, снимаемое с нагрузки детектора, через RC- фильтры АРУ подается или на вывод 3 (см. рис. 2) или на вывод 4 (рис. 3). В схеме АРУ (рис. 2) через источник регулирующего напряжения протекает небольшой ток базы, так что для управления достаточно мощности, которую обеспечивает диодный детектор. В схеме АРУ (рис. 3) нужен более мощный источник регулирующего напряжения, так как через него проходит значительный ток эмиттера. Поэтому за диодным детектором ставят усилитель постоянного тока (усилитель АРУ) или используют, как это сделано в данной работе, транзисторный детектор АРУ, который сам дает усиление по мощности.
Для повышения эффективности регулировкой охватывается несколько усилительных каскадов или используются более сложные схемы режимных регулировок.
Одна из таких схем (рис. 4) собрана на микросхеме 2УС282 (регулируемый усилитель). В состав микросхемы (обведена пунктиром на рис. 4) входят три транзистора типа КТ307 и семь резисторов. Резисторы , , стабилизируют режим транзистора по постоянному току. Резисторы и образуют делитель в базовой цепи . Напряжение питания +6,3 В подается на вывод 10 и через резисторы фильтра коллекторной цепи и поступает на коллекторы транзисторов и . Усиливаемый сигнал подается на вывод 3, а регулирующее напряжение – на вывод 2. На транзисторах и собран каскодный усилитель по схеме ОЭ-ОБ, а транзистор используется для регулировки усиления. Регулирование усиления здесь происходит за счет управления по току эмиттера транзистора . В процессе регулирования выполняется условие
Действительно, транзистор является источником стабильного коллекторного тока , так как выходное сопротивление каскада на много больше входного сопротивления со стороны эмиттеров каскадов на транзисторах и .
Режимные методы АРУ имеют ряд недостатков. Во-первых, из-за криволинейности характеристик транзистора при работе АРУ возникают нелинейные и перекрестные искажения сигнала. Эти искажения начинаются при амплитуде сигнала на базе транзистора порядка 10-20 мВ и возрастают с уменьшением коллекторного тока. Во-вторых, при работе АРУ изменяется амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики усилителя, так как изменяются , , и транзистора. Изменение, например, фазочастотной характеристики может привести к нелинейным искажениям сигнала в приемниках ЧМ и ФМ колебаний. Указанные недостатки меньше проявляются при использовании нережимных методов регулирования усиления.
Как работает автоматическая регулировка усиления / Хабр
Привет, Хабр! Сегодня изучим автоматическую регулировку усиления, АРУ, на примере гитарного эффекта компрессора. Это прибор для сжатия не воздуха, а электрического сигнала. Из слабого сигнала он делает сильный, а из слишком сильного просто сильный.
Педаль на основе схемы культового DOD 280 я планирую не только собрать, но и немного усовершенствовать, добавив эффект тремоло (амплитудное вибрато). Дело в том, что и компрессор, и тремоло построены на основе усилителя с управляемым усилением. Для тремоло нужно добавить только генератор медленных колебаний (LFO, low frequency oscillator).
Автоматическая регулировка усиления используется повсеместно. К примеру, во всех устройствах связи. Или для улучшения сигнала электрогитары.
Чтобы звучание ноты дольше не угасало, это называется сустейном. Чтобы сильно и слабо сыгранные ноты звучали ровно. Это особенно пригодится при игре легато. И чтобы придать звучанию особую окраску, которую мы сегодня услышим, если прибор заработает.
Почему компрессор называется компрессором, сжимателем? Потому что он сжимает динамический диапазон сигнала. Бывает широкий диапазон от низкого к высокому, и бывает узкий вокруг определённого среднего уровня.
▍ Изучаем схему
Начнём с входного гнезда. Через него сигнал гитары попадает в компрессор. Ещё стержень джека замыкает цепь батарейки, чтобы она не разряжалась, когда джек не вставлен. А разъём питания, наоборот, размыкает цепь батареи, когда подключен внешний источник питания.
Резистор 1 мегаом на входе обеспечивает определённое входное сопротивление и препятствует накоплению статики. Далее сигнал гитары через конденсатор и резистор попадает в неинвертирующий вход операционного усилителя.
Конденсатор пропускает переменный ток, а от постоянного напряжения изолирует. Последовательный резистор 10 кОм защищает вход прибора на случай, если туда попадёт нежелательное напряжение.
А по постоянному току неинвертирующий вход операционного усилителя соединён через резистор 470 кОм с искусственной средней точкой.
Сверху справа схемы видим делитель напряжения, создающий эту искусственную среднюю точку. Это два одинаковых резистора 22 кОм, последовательно соединённых между + 9 вольтами питания и общим проводом 0 вольт.
Этот делитель делит 9 вольт пополам, выходит +4.5 вольта. По переменному току искусственная средняя точка соединена с общим проводом 0 В через электролитический конденсатор.
Зачем нужна искусственная средняя точка? Дело в том, что переменный ток, в том числе аудиосигнал, колеблется не от нуля до плюса, а от минуса до плюса. Поэтому нам нужно настроить усилитель таким образом, чтобы он мог усиливать как положительную, так и отрицательную полуволну.
Это делается путём положительного смещения всего сигнала в направлении плюса питания. И смещаем мы его на половину питающего напряжения. Это и есть искусственная средняя точка.
На изображении видно, что происходит с сигналом при слишком низком или слишком высоком смещении. В таком случае он обрезается плюсом или минусом питания усилителя, и получается искажение. В гитарной музыке они часто применяются, потому что добавляют интересные гармоники. Но в компрессоре таких искажений не должно быть.
▍ Операционный усилитель
Далее рассмотрим цепь инвертирующего входа операционного усилителя. Вообще, что это такое – операционный усилитель? Это очень распространённый тип аналоговых микросхем. Чтобы понять, как они работают и как их использовать в схемах, нужно запомнить только два правила.
Во-первых, операционный усилитель будет выдавать такое выходное напряжение, чтобы напряжения на двух его входах, неинвертирующем и инвертирующем, сравнялись. Предполагается, что выход соединён с инвертирующим входом через делитель напряжения. Что мы и видим на схеме.
Это называется отрицательная обратная связь. Она очень распространена в технике, не только электронной. И вообще, в жизни. Когда варим картофель в кастрюле, и вода кипит слишком сильно, мы уменьшаем нагрев. Когда она перестаёт кипеть, мы добавляем нагрев. То есть действуем наоборот, добавляем то, чего недостаточно, и убираем то, чего избыток.
А если разорвать цепь обратной связи, операционный усилитель будет вести себя следующим образом. Когда напряжение на плюсовом входе выше напряжения на минусовом, он подаст на выход напряжение, близкое к плюсу питания. Это логическая единица.
И наоборот, если напряжение на плюсовом входе ниже напряжения на минусовом, на выходе усилителя будет напряжение, близкое к минусу питания.
Такой режим работы операционного усилителя без отрицательной обратной связи называется режимом компаратора. То есть сравнителя. Потому что он сравнивает напряжение на двух входах.
Второе правило касательно операционного усилителя состоит в том, что через его входы не идёт ток. На самом деле ток идёт, но настолько крохотный, что его можно не учитывать. Иначе говоря, входное сопротивление операционного усилителя очень велико, почти бесконечно.
Возвращаемся к нашей схеме. Напряжение на плюсовом входе ОУ у нас 470 / (470 + 10) = 470/480 от входного, то есть почти единица.
Чтобы рассчитать напряжение на средней точке делителя, нужно разделить сопротивление нижнего плеча на сумму сопротивлений нижнего и верхнего. И умножить на входное напряжение. Потому что через верхнее и нижнее плечо идёт тот же ток.
Этот ток равен падению входящего напряжения на сумме сопротивлений плеч. А падение напряжения на нижнем плече равно этому току, помноженному на его сопротивление.
Теперь посмотрим на цепь инвертирующего входа. Его нижнее плечо это последовательно соединены переменный резистор регулятора сжатия, т.е. компрессии и сустейна, 500 кОм, конденсатор 50 нанофарад и постоянный резистор 22 килоома, чтобы нельзя было выкрутить сопротивление нижнего плеча до нуля. А верхнее плечо – это резистор 1 мегаом, параллельно с фоторезистором.
Фоторезистор – полупроводниковый прибор, сопротивление которого уменьшается, если на него попадает свет. Чем сильнее свет, тем меньше сопротивление.
То есть коэффициент усиления этой схемы можно регулировать двумя способами. Во-первых, крутя ручку переменного резистора. Чем меньше сопротивление нижнего плеча, а напряжение на нём почти равно напряжению на входе схемы, тем больше должен быть ток через него, а следовательно, через весь делитель. Ток поступает к делителю с выхода усилителя. Поэтому при постоянном верхнем плече на выходе будет большее напряжение.
А чем меньше сопротивление верхнего плеча, то есть чем сильнее освещен фоторезистор, тем меньший ток нужен для достижения на входе минус напряжения, равного напряжению на входе плюс. То есть меньшее напряжение на выходе. Итак, освещая фоторезистор, мы сокращаем усиление.
Посмотрим на второй усилитель. Его положительный вход соединён со средней точкой 4.5 вольта. То есть и на отрицательном входе будет тоже 4.5 вольта. На первый взгляд, этот усилитель вообще не работает, потому что на его входах ничего не меняется.
Но на самом деле напряжение на инвертирующем входе удерживается на уровне четырёх с половиной вольта не само по себе, а благодаря тому, что усилитель через правый резистор, то есть верхнее плечо делителя, уравновешивает изменение напряжения на левой ножке левого резистора, нижнего плеча.
Здесь следует помнить две вещи:
- Во-первых, вход этого узла схемы – это не вход операционного усилителя, а левая ножка левого резистора.
- Во-вторых, из-за входов операционного усилителя ток не идёт. Ток делителя идёт между выходом и входом нашего схемотехнического узла, который называется инвертирующий усилитель.
Ток через первый резистор равен падению напряжения на нём, разделённом на его сопротивление. Ток через второй резистор тоже.
Сопротивления резисторов равны, а ток протекает по ним один и тот же. Поэтому падения напряжения на них одинаковы. В обоих нарисованных на схеме случаях полвольта. Только на левой картинке входное напряжение выше средней точки, и ток делителя идёт от входа к выходу. А на правой наоборот.
Выходит, что этот усилитель переворачивает напряжение относительно средней точки. То есть, из отрицательной полуволны делает положительную, с таким же напряжением.
Далее прямой и перевёрнутый сигналы идут через одинаковые конденсаторы на одинаковые транзисторные каскады с общим эмиттером. Положительная полуволна открывает правый транзистор, а опрокинутая отрицательная — левый.
Коллекторы транзисторов соединены вместе, и их общая нагрузка – это светодиод, освещающий фоторезистор. Светодиод включен через резистор 4.7 кОм, ограничивающий его ток.
Что выходит в итоге? Чем сильнее мгновенный уровень выходного сигнала левого усилителя отличается от средней точки 4.5 вольта, тем сильнее светодиод светит, уменьшает усиление, и тем самым в любой момент мешает левому усилителю.
Для чего это делать? Схема кажется бессмысленной. Но мы не заметили ещё одной детали – электролитического конденсатора достаточно большой ёмкости — сорок семь микрофарад, подсоединённого параллельно транзисторам.
Когда транзисторы отпираются сильнее, ток светодиода растёт не мгновенно, потому что конденсатору нужно время, чтобы разрядиться через транзисторы. Также, когда транзисторы запираются, конденсатор определённое время заряжается до нового напряжения через резистор 4.7 кОм. Да и сам фоторезистор медленный, имеет инерцию реагирования.
Поэтому эта автоматическая регулировка усиления реагирует не на мгновенное значение напряжения, но на его огибающую.
Говоря по-научному, медленное реагирование системы с конденсатором и сопротивлением интегрирует входящий сигнал. Сопротивление резистора 4.7 килоома, сопротивление не полностью открытого транзистора и ёмкость конденсатора создают интегрирующую цепочку.
Ещё в правом верхнем углу схемы начертан узел на полевом транзисторе. Он служит для включения светящегося светодиода, когда компрессор включен. В наборе с Алиэкспресс, из которого я собираю компрессор, этого узла нет, потому что в набор входит ножной переключатель на три группы контактов и два положения 3PDT.
А в старинной педали компрессора, схему которой мы изучаем, был переключатель на две группы контактов, DPDT. Или вообще с одной контактной группой SPDT как на фото. Она переключала выходное гнездо между входом и выходом компрессора. Поэтому химическая энергия батарейки расходовалась всё время, пока был вставлен входной джек, а для включения индикаторного светодиода разработчикам пришлось прибегнуть к такой хитрости.
Осталось добавить, что оптопара со светодиодом и резистором в светонепроницаемом корпусе выпускалась под торговой маркой Vactrol, и сейчас это довольно редкая и дорогостоящая бутиковая деталь. Но ничто не мешает сделать вактрол самим из светодиода и фоторезистора, что и предлагают авторы набора.
▍ Слушаем, как звучит
Слышим, что арпеджио стаккато и скрип медиатором по струне слышно слабо, а протяжные ноты сильно, и они слишком выделяются из картины. После включения компрессора ничего или почти ничего не изменилось, потому что регулятор сжатия на нуле.
Зато в положении ручки регулировки сустейна на три часа баланс громкости всех нот и звуков выходит более музыкальным. Слышим, что компрессор делает звучание сильного сигнала более мягким. О таких компрессорах часто говорят, что его не заметно, но с ним лучше.
Нужен ли вам компрессор для гитары, зависит от стиля игры и предпочтений. Играющие рок на синглах, на стратокастерах и телекастерах часто пользуются компрессорами.
Те, у кого в игре много легато, тоже нуждаются в компрессии, но хайгейн усилители, то есть с высоким коэффициентом усиления, компрессируют звук по своей природе.
Компрессия свойственна и некоторым гитарным громкоговорителям. К примеру, Celestion Greenback. Такие громкоговорители отлично подходят для игры со значительным перегрузом. Но не там, где много тонкостей динамики.
А чтобы играть эмбиент с очень длинными нотами, без компрессора просто не обойтись.
Необходимо добавить, что DOD 280 – это винтажный, старинный тип компрессора. Современные, модерновые компрессоры имеют больше регулировок. Прежде всего, настройку времени атаки и затухания.
То есть, у них не просто впаянный электролитический конденсатор в цепи питания светодиода обратной связи, но предусмотрена регулировка скорости реакции на появление и исчезновение сигнала.
Благодарю за внимание! В одной из следующих статей сделаю на базе этого компрессора тремоло.
Мощные VPS на SSD со скидками до 53%. Панель ISPmanager в подарок*.
Как найти детали транзисторной печатной платы, необходимые для проектирования вашей печатной платы
Транзисторы являются основными устройствами для всего: от источников питания до мощных интегральных схем для встроенных вычислений. Многие продукты силовой электроники, датчики, маломощные аналоговые системы и другие системы, требующие мощного переключения, нуждаются в транзисторах для правильной работы. Когда вам нужно найти и разместить транзисторы в вашей новой конструкции, вам понадобится полный набор инструментов цепочки поставок печатных плат для поиска деталей транзисторов для вашей конструкции.
При использовании полного набора инструментов проектирования печатных плат в Altium Designer вы можете делать больше, чем просто размещать существующие посадочные места транзисторов на печатной плате. Altium Designer включает в себя полный набор функций цепочки поставок печатных плат, необходимых для поиска деталей транзисторов, включая посадочные места и спецификации для дискретных посадочных мест транзисторов. При проектировании систем с дискретными транзисторами используйте лучшие инструменты цепочки поставок печатных плат в Altium Designer.
ALTIUM DESIGNER ®
Единственное в отрасли приложение EDA, которое дает разработчикам доступ к огромному ассортименту деталей транзисторов, инструментам цепочки поставок и лучшим в отрасли функциям проектирования печатных плат.
Несмотря на то, что процессоры содержат миллиарды транзисторов, многие печатные платы по-прежнему нуждаются в дискретных транзисторах для правильной работы. Каждая деталь, размещаемая на печатной плате, должна иметь важный набор информации, чтобы обеспечить возможность проектирования и изготовления конечной части. Разработчики должны знать требования к посадочному месту транзистора для деталей, чтобы обеспечить надлежащее изготовление и возможность пайки во время сборки.
Чтобы поддерживать высокую производительность, проектировщикам необходим полный набор инструментов цепочки поставок печатных плат, которые предоставляют им данные САПР для транзисторных частей, используемых в топологии печатной платы. Лучший способ получить доступ к цепочке поставок и точному размеру транзистора на печатной плате — работать в интегрированной среде проектирования Altium Designer. Когда функции электронного поиска деталей доступны наряду со стандартными инструментами ECAD, проектная группа может оставаться продуктивной и получать доступ к данным о деталях, которые им нужны для бездефектного производства.
Транзисторы для печатных плат поставляются в различных корпусах для сквозного и поверхностного монтажа. Возможно, наиболее распространенным дискретным транзистором для использования в системах аналоговой сигнализации и силовой электроники является полевой МОП-транзистор со сквозным отверстием или аналогичные высоковольтные/сильноточные компоненты. Другими компонентами, предназначенными для конкретных приложений, являются компоненты BJT и FET в корпусах для поверхностного монтажа, таких как корпус SOT или даже корпуса QFN.
Транзисторные детали печатных плат для приложений силовой электроники обычно включают прикрепленную к кристаллу металлическую пластину, которая также может функционировать как заземляющий контакт. Основная функция этой дополнительной металлической прокладки состоит в том, чтобы отводить тепло непосредственно от полупроводникового кристалла и отводить его от компонента. Это важная часть управления тепловым режимом для транзисторов на печатных платах, поскольку компонент может выйти из строя, как только температура перехода превысит абсолютный максимум.
Распиновка MOSFET для корпусов TO (слева) и SOT (справа).
Мощные полевые МОП-транзисторы и другие транзисторы, которым требуется прикрепленный радиатор, могут иметь проблемы с пайкой во время сборки, если радиатор припаивается обратно к внутренней плоскости через переходное отверстие. Это приводит к тому, что компонент отводит слишком много тепла на плоскость во время пайки, что может привести к холодному соединению или надгробной плите. Таким образом, на площадке для контактной пластины, прикрепленной к кристаллу, можно использовать тепловые переходы, чтобы предотвратить слабое паяное соединение. Выполнение этого в дизайне транзистора на печатной плате требует поиска или создания точных посадочных мест печатной платы для ваших транзисторов до создания макета печатной платы.
Altium Designer упрощает создание посадочных транзисторов и библиотек
Altium Designer включает в себя набор инструментов САПР мирового класса для создания макетов печатных плат и моделей САПР для электронных компонентов. Altium Designer создан специально для проектирования электроники, а стандартный набор инструментов САПР позволяет быстро и легко создавать компоненты. Вы также можете использовать мастер посадочных мест, совместимых с IPC, для создания компонентов в стандартных пакетах для использования в топологии вашей печатной платы.
- Компоненты, такие как транзисторы для печатных плат, также нуждаются в точных 3D-моделях, чтобы предотвратить механические помехи и обеспечить соответствие корпусу.
Узнайте больше о работе с файлами STEP в программе проектирования печатных плат.
- Использование компонентов с точными посадочными местами на печатной плате помогает предотвратить дефекты сборки и упрощает поиск запасных частей.
Узнайте больше о простых дефектах SMD, которых можно избежать с помощью правильных посадочных мест.
- Если вам нужно создать пользовательские данные деталей для ваших компонентов, вы можете использовать мастер посадочных мест, совместимых с IPC, в Altium Designer. Этот инструмент создает посадочные места для печатных плат, которые соответствуют стандартам сквозных отверстий IPC и стандартам шаблонов контактных площадок SMD.
Узнайте больше о создании посадочных мест, совместимых с IPC, в Altium Designer.
Быстро создавайте посадочные места транзисторных компонентов с помощью мастера IPC Compliant Footprint Wizard в Altium Designer.
Точное изготовление и сборка с высоким выходом продукции и низким уровнем брака требуют правильного подбора транзистора на печатной плате на ранних этапах проектирования и компоновки. Это относится к любому компоненту вашей печатной платы, а не только к транзисторным частям. Когда вы всесторонне изучите цепочку поставок и получите доступ к данным производителя деталей, вам будет легко найти компоненты с точными, проверенными посадочными местами для использования в вашем транзисторе на топологии печатной платы.
Altium Designer включает панель поиска компонентов производителя, которая поможет вам найти компоненты, необходимые для завершения проектирования печатной платы. Этот инструмент в Altium Designer позволяет разработчикам фильтровать компоненты по спецификациям компонентов, доступности посадочных мест печатных плат, цене, типу монтажа и статусу жизненного цикла. Это самый простой способ найти ваши компоненты и убедиться, что ваша плата будет доступна в любом масштабе.
Простое завершение проекта с помощью инструментов цепочки поставок Altium Designer и функций компоновки
Функции управления цепочками поставок в Altium Designer доступны наряду с другими важными инструментами проектирования. Это позволяет находить и размещать детали транзисторов с точными контурами печатных плат, схематическими символами и 3D-моделями. Кроме того, Altium Designer предоставляет вам доступ к данным о ценах и запасах компонентов от основных дистрибьюторов, помогая вам не выходить за рамки бюджета и находить идеальные компоненты для вашего проекта.
- На рынке представлены миллионы электронных компонентов, и может быть сложно выбрать лучшие компоненты для вашей конструкции без правильных инструментов цепочки поставок.
Ознакомьтесь с некоторыми советами по выбору компонентов, которые помогут вам оставаться продуктивными и использовать масштабные источники.
Программное обеспечение - для проектирования печатных плат со встроенными инструментами цепочки поставок помогает сравнивать цены при выборе электронных компонентов.
Узнайте больше о поиске и сравнении цен на электронные компоненты с помощью инструментов цепочки поставок.
- Панель поиска компонентов производителя в Altium Designer предоставляет доступ к цепочке поставок печатных плат наряду со стандартными инструментами компоновки и трассировки печатных плат.
Узнайте больше о панели поиска деталей производителя в Altium Designer.
Панель поиска производителя в Altium Designer поможет вам найти нужный транзистор на печатной плате.
Подготовка печатной платы к производству с помощью Altium Designer
После создания компонентов, поиска дополнительных деталей, компоновки печатной платы и разводки дорожек пришло время подумать об изготовлении печатной платы. Ваши производственные файлы должны включать данные из макета вашей печатной платы, в том числе реплицированные данные с вашего транзистора на печатной плате и другие функции. Если вам нужно быстро подготовить проект к производству, Altium Designer включает инструменты, необходимые для создания стандартной документации.
Ваши производственные файлы могут быть мгновенно созданы из ваших схем и данных компоновки печатных плат при использовании Altium Designer. Никаких внешних программных приложений не требуется, все необходимое для создания производственных файлов включено в Altium Designer. Конструкторы также могут быстро очистить свою спецификацию, чтобы удалить устаревшие компоненты, найти замену отсутствующим на складе деталям и оптимизировать свои затраты, чтобы не выходить за рамки производственного бюджета.
Использование полного набора функций проектирования печатных плат в Altium Designer
Благодаря полному набору функций проектирования печатных плат в Altium Designer легко подготовить новую плату к производству в интегрированной среде проектирования. Все, что необходимо для выбора интерфейсных компонентов и проектирования схем, доступно в том же приложении, что и ваши инструменты физического проектирования и компоновки. Наконец, у вас есть все необходимое для подготовки стандартного пакета файлов для изготовления и сборки.
- Altium Designer — единственное приложение для проектирования печатных плат с полным набором инструментов для проектирования печатных плат, которое поможет вам оставаться продуктивным при создании передовых технологий.
Узнайте больше о проектировании унифицированных печатных плат в Altium Designer.
Интегрированный пользовательский интерфейс - Altium Designer обеспечивает продуктивную работу и предоставляет доступ к полному набору инструментов компоновки печатных плат для любого приложения.