Компрессор аналоговых сигналов

В настоящее время широкое распространение находят устройства для изменения динамического диапазона аналоговых сигналов. Особенно интенсивно разрабатываются и используются компрессоры, предназначенные для сжатия динамического диапазона. Компрессоры стали неотъемлемой частью различных цветодинамических установок и в значительной мере определяют качество их работы [1]. Применение компрессоров в профессиональной и любительской радиосвязи дало возможность существенно улучшить разборчивость речевого сигнала в условиях помех, более эффективно использовать потенциальные энергетические возможности передатчика [2.

На основе компрессоров проектируют компандерные системы, предназначенные для повышения помехоустойчивости широко распространенных устройств для записи и воспроизведения звуковых сигналов. К подобным системам относятся, в частности, широко распространенные компандеры Долби, разрабатываемые также и в радиолюбительской практике [3].

Приведенными примерами не исчерпываются области применения компрессоров. Характерно, что сжатие динамического диапазона сигналов компрессорами обеспечивает существенный прирост показателей качества современной звукотехнической аппаратуры. Указанные особенности способствовали появлению новых классов радиоаппаратуры — звуковых процессоров, предназначенных для управления динамическими свойствами сигналов на основе использования компрессоров и экспандеров.

Названные процессоры имеют, как правило, несколько управляемых оператором параметров и позволяют существенно улучшить субъективное восприятие различных, особенно музыкальных, фонограмм.

Для управления динамическим диапазоном сигнала компрессор принципиально должен иметь в своем составе нелинейные элементы, например диоды, биполярные или полевые транзисторы. Наличие подобных элементов обусловливает появление в выходном сигнале нелинейных искажений. Причем, в большинстве известных компрессоров коэффициент гармонических искажений может доходить до 0,2... 1,0 %. Указанные величины более чем на порядок превышают пороги восприятия нелинейных искажений и не удовлетворяют требованиям к современной высококачественной аппаратуре [4].

Коэффициенты комбинационных нелинейных искажений компрессоров обычно также близки к указанным выше значениям. Известные способы снижения искажений с помощью фильтрации сигнала не только приводят к схемотехническому усложнению компрессора, но и оказываются малоэффективными, поскольку лишь незначительно уменьшают комбинационные искажения.

В описываемом компрессоре в значительной степени устранены отмеченные выше недостатки.

Принципиальная схема компрессора представлена на рис. 1. Входной фазоинвертирующий каскад компрессора выполнен по схеме с разделенной нагрузкой (R4, R5). Благодаря равенству сопротивлений указанных резисторов, напряжения сигналов на коллекторе и эмиттере транзистора VT1 близки друг к другу, а сдвиг фаз сигналов равен 180°. Фильтр нижних частот R3C3 необходим для подавления помех и пульсаций, проникающих по цепи питания на вход каскада. При указанных значениях параметров схемы входное сопротивление каскада почти полностью определяется значениями сопротивлений резисторов Rl, R2, R5.

Фазоинвертирующий входной каскад имеет неприемлемо большие выходные сопротивления, поэтому для его согласования с последующими каскадами использованы эмиттерные повторители напряжения на транзисторах VT2, VT3. Резисторы R6, R7 в базовых цепях транзисторов предотвращают возникновение самовозбуждения на высших частотах.

Совокупность усилительных каскадов на транзисторах VT1 —VT3 образует составную схему фазоинвертора, имеющего достаточно большое входное сопротивление и пренебрежимо малые (около 50... 150 Ом) выходные сопротивления.

Противофазные сигналы с выходов фазоинвертора подаются через развязывающие конденсаторы С4, С5 на Г-образные управляемые аттенюаторы, выполненные на резисторах R12, R13 и полевых транзисторах VT4.1, VT4.2. Управляемые аттенюаторы совместно с операционным усилителем DA1 образуют дифференциальный симметричный управляемый усилитель, обладающий рядом важных преимуществ, описываемых ниже.

Рис. 1. Принципиальная схема компрессора

Регулировка коэффициента передачи управляемого усилителя происходит за счет согласованного изменения сопротивления каналов полевых транзисторов VT4.1, VT4.2. Отрицательному смещению управляющего потенциала на затворах полевых транзисторов соответствует приращение коэффициента передачи усилителя.

Однако значение управляющего напряжения не является единственным фактором, определяющим сопротивление канала полевых транзисторов.

К эффекту модуляции сопротивлений каналов приводят также и колебания амплитуды сигнала, приложенного к стокам полевых транзисторов. Указанное явление обусловливает значительные нелинейные искажения. Для их снижения в схему управляемого усилителя введены цепи отрицательной обратной связи,, выполненные на резисторах R13 — R16. Благодаря этому коэффициент гармонических искажений уменьшается приблизительно на порядок [5].

Дальнейшая минимизация продуктов нелинейных искажений достигается благодаря компенсации четных гармоник нелинейных искажений управляемого сигнала в операционном дифференциальном усилителе DA1.

Для получения наиболее полного эффекта компенсации принципиальная схема управляемого усилителя должна иметь высокую степень симметрии для информативного сигнала. Последнее обеспечивается за счет использования согласованной пары полевых транзисторов VT4.1 и VT4.2, имеющих идентичные характеристики и достаточно большое напряжение отсечки, а также введения симметрирующих цепей. Дополнительное симметрирование схемы может быть достигнуто путем подстройки сопротивления резистора R20 по минимуму искажений.

Зависимость коэффициента гармонических искажений от частоты сигнала, имеющего эффективное значение 1 В, представлена на рис. 2.

Рис. 2. Частотная зависимость коэффициента гармоник компрессора при максимальном уровне входного сигнала

Другое преимущество рассматриваемой схемы управляемого усилителя связано с возможностью подавления так называемых помех срабатывания. Исключение подобных помех, обусловленных автоматическим регулированием, является одной из основных проблем при разработке компрессоров. Помехи срабатывания возникают вследствие проникания сигнала управления через цепи управления коэффициентами передачи аттенюаторов на выход компрессора. Причем, при расширении спектра управляющего сигнала усиливается степень проникания по паразитным емкостным каналам, например междуэлектродным емкостям транзисторов. В дифференциальной схеме часть сигнала управления проникает через резисторы R12, R14, R18, R15, R16, R19 и проходные емкости полевых транзисторов на входы операционного, усилителя DA1. Ввиду симметричности схемы и применения дифференциального включения операционного усилителя, помеха регулирования ослабляется более чем на два порядка и становится пренебрежимо малой.

Выпрямленное напряжение поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя DA2. На инвертирующий вход этого усилителя подается постоянное опорное напряжение с движка подстроечного резистора R33, определяющее уровень выходного напряжения компрессора. Усиленная разность указанных напряжений является управляющим сигналом, который поступает через симметрирующие резисторы на затворы полевых транзисторов.

При изменении уровня входного сигнала компрессор работает следующим образом. В результате увеличения напряжения сигнала, подаваемого на вход компрессора, возрастает уровень сигнала на выходе дифференциального управляемого усилителя. При этом увеличиваются выпрямленное напряжение и значение управляющего напряжения, подаваемого на затворы полевых транзисторов. Последнее приводит к смещению рабочей точки на проходной характеристике полевых транзисторов вправо и уменьшению сопротивлений их каналов. Одновременно с этим снижается коэффициент передачи управляемого аттенюатора, что препятствует росту напряжения сигнала на выходе компрессора.

При уменьшении уровня входного сигнала процеса регулирования протекает аналогично описанному и приводит к увеличению коэффициента передачи управляемого аттенюатора. Амплитудная характеристика компрессора, иллюстрирующая рассмотренный процесс, показана на рис. 3.

переходных процессов.

Рис. 3. Амплитудная характеристика компрессора

Для большинства источников звука время нарастания звучания превышает 5 мс {6]. Поэтому искажения огибающей сигнала будут незначительны, если время установления системы регулирования компрессора будет выбрано не более 1 . . . 2 мс.

Время восстановления выбирается так, чтобы сделать процесс автоматической регулировки возможно менее заметным на слух. Рекомендуемое время восстановления для большинства типов компрессоров составляет 0,5...4 с и уточняется экспериментально.

[7]. Реальные значения элементов

разработанного компрессора обеспечивают в 5—10 раз меньшие времена установления. Для их экспериментального уточнения в схему введены подстроечные резисторы R24 и R27, предназначенные для изменения времен установления и восстановления в пределах 0,4...2,0 мс и 0,5...3 с соответственно. Выбранные пределы изменения названных параметров удовлетворяют большинству требований, возникающих в процессе практической эксплуатации компрессора.

Д е т а л и и к о н с т р у к ц и я . В схеме компрессора могут быть использованы постоянные резисторы МЛТ-0,25, МЛТ-0,125 с допускаемыми отклонениями от номинала ±10%. Подстроечные малогабаритные резисторы R17, R24, R27, R30 —типа СПЗ-38а, могут быть использованы также подстроечные резисторы СЛЗ-44. В устройстве использованы оксидные конденсаторы К50-6, которые могут быть заменены на К.50-3, К50-12, конденсаторы С8, С9 — КМ-5.

Полупроводниковые диоды Д106 могут быть заменены диодами серий КД503, КД521, КД522. Вместо указанных на схеме биполярных n-p-п транзисторов можно использовать транзисторы серий КТ342, КТ315. Транзисторы p-n-р структуры могут заменяться транзисторами серий КТ361, КТ349. Сдвоенные полевые транзисторы КПС104Д могут быть заменены на КПС104Г, а также на дискретные транзисторы КД302Д, подобранные по значениям напряжения отсечки и начальному току стока с погрешностью не более 10...15 %. Операционный усилитель 544УД1A (DA1) можно заменить на 544УД1Б, а 544УД1А (DA2) — на 544УД1Б, 140УД8А, 140УД8Б, Переключатель режима работы SA1 любого типа, например П2К. Элементы компрессора монтируются на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5...2,0 мм (рис. 4). Перемычки обозначены пунктиром и устанавливаются со стороны радиоэлементов. Оксидный конденсатор Сб монтируется, на выводах кнопочного переключателя SB1.

Налаживание компрессора начинают с проверки правильности монтажа и напряжений питания. Для проверки работоспособности и настройки устройства на вход компрессора подают синусоидальный сигнал частотой 400... 1000 Гц и напряжением около 1 В. На коллекторе и эмиттере транзистора VT1, а также эмиттерах VT2, VT3 должен наблюдаться неискаженный сигнал синусоидальной формы с напряжением, близким к 1 В. Постоянное напряжение на эмиттере VT1 должно находиться в пределах —(7...9) В.

Собранный из исправных элементов дифференциальный управляемый усилитель в настройке не нуждается. При указанном выше напряжении входного сигнала переменное напряжение на выходе DA 1, а также эмиттере VT 5 должно составлять 0,8...1,1 В, а на стоках полевых транзисторов около 5...15 мВ. С помощью подстроечного резистора R 30 потенциал на выходе операционного усилителя DA 2 устанавливается в пределах —(2...4,5) В при замкнутом на общую шину входе компрессора. Подача сигнала на вход устройства должна приводить к смещению указанного потенциала до значений —(0,5... 0) В.

Рис. 4. Печатная плата (а) и расположение деталей на ней (б)

Опорное напряжение, подаваемое на инвертирующий вход DA2, определяет напряжение, к которому стремится уровень выходного сигнала компрессора. Коэффициенты передачи операционных усилителей DAI, DA2 задают глубину обратной связи системы регулирования и тем самым форму амплитудной характеристики устройства. При увеличении коэффициента передачи названных усилителей динамический диапазон выходного сигнала сужается. Однако необходимо иметь в виду, что одновременно с этим возрастает длительность переходных процессов, а также вероятность самовозбуждения за счет снижения запасов устойчивости.

Нелинейные искажения устройства сводятся к минимуму перемещением движка резистора R17. Наилучшие значения времен установления и восстановления наиболее целесообразно устанавливать резисторами R24, R27 в процессе прослушивания различных фонограмм по наименьшим переходным искажениям сигнала.